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CN113726170A - 一种基于电流反馈的llc谐振电路的控制方法 - Google Patents

一种基于电流反馈的llc谐振电路的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电流平方反馈的LLC谐振电路的控制方法，包括以下步骤，获取LLC谐振电路的输出电压和频率的增益曲线；采集LLC谐振电路副边侧的电流，将采集的电流和给定电流之间的电流差值按照约束条件放大后输入PI调节器中，得到LLC谐振电路副边侧的给定输出电压；通过得到的给定输出电压结合增益曲线得到工作频率，按照给定工作频率控制LLC谐振电路，实现闭环控制；本发明通过采用输出电流的平方反馈，可以更快的抑制LLC输入电压波动带来的输出电流波动。

Description

一种基于电流反馈的LLC谐振电路的控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术应用领域，尤其是LLC谐振电路的控制方法领域。
背景技术
随着电力电子技术的飞速发展，航空航天、通信、电子、电动汽车车载电源等领域对电源的要求越来越高，因此高效率、高功率密度以及高耐压和高可靠性的电源显然成为行业的研究热点；传统的DC/DC变换器包括非隔离型和隔离型,其中，非隔离型DC/DC变换器主要包括BUCK、BOOST等典型拓扑结构，这类DC/DC变换器由于不存在隔离环节，因此主要应用于小功率场合；带隔离环节的DC/DC变换器主要包括正反激、推挽、半桥及全桥结构，其中全桥、正激变换器一般应用于功率较大的场合；上述提到的DC/DC变换器无论是隔离型的还是非隔离型的均属于PWM变换器，是通过改变开关管的占空比从而实现输出电压的改变，这类变换器一般是硬开关变换器，虽然也可以通过在开关管周围增加其他辅助电路的情况下实现软开关，但较为复杂；随着技术的发展，谐振式DC/DC变换器能够实现软开关而成为研究热点，谐振式变换器的工作原理是通过改变谐振频率来调节输出电压，LLC谐振式变换器是典型拓扑，其工作稳定且可以方便地实现软开关，在工程中用具有极高的实用价值；但在工程应用中，完整的LLC谐振电路的结构包括前端的不控整流、全桥斩波器、电感电容谐振部分、隔离变压器以及后级滤波电路；但是单相不控桥往往会导致输入直流电压产生关于电网电压基波的两倍频波动，进而导致后级输出电流产生与之对应的二倍频波动，降低了LLC谐振电路输出电流的质量。
发明内容
为了解决上述直流侧电压波动带来的输出电流波动问题，本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于电流反馈的LLC谐振电路的控制方法,包括以下步骤，
S1、获取LLC谐振电路的输出电压和频率的增益曲线；
S2、采集LLC谐振电路副边侧的电流，将采集的电流和给定电流之间的电流差值按照约束条件放大后输入PI调节器中，得到LLC谐振电路副边侧的给定输出电压；
S3、通过得到的给定输出电压结合增益曲线得到工作频率，按照给定工作频率控制LLC谐振电路，实现闭环控制。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中获取LLC谐振电路的输出电压和频率的增益曲线包括以下步骤；
S11、根据LLC谐振电路的工作条件计算出该LLC谐振电路的谐振电感、励磁电感和谐振电容的相关参数；
S12、根据LLC谐振电路的实际参数算出输出电压增益Gr与工作频率f之间的关系。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S11中的工作条件包括LLC谐振电路的原边侧输入直流电压、不控整流输出直流电压、副边侧输出直流电压、输出电流、最大开关频率和谐振频率。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S12中输出电压增益Gr与工作频率f的关系满足
Figure BDA0003162617470000031
式中，
Figure BDA0003162617470000032
其中，fn表示工作频率f与谐振频率fr1的比值，λ表示谐振电感Lr与励磁电感Lm比值，Q表示品质因数，Re表示副边侧负载的等效电阻，Ro表示副边侧负载的实际电阻，n表示隔离变压器原副边的匝数比。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2中的约束条件具体为将采集的电流值与给定电流值之间进行平方差运算。
本发明的有益效果在于：
1)本发明通过采用输出电流的平方反馈，大大提高了PI调节器的调节速率，可以更快的抑制LLC输入电压波动带来的输出电流波动；
2)此方法大大提高了环路的响应速度，可以更好的处理后级负载突变问题，降低负载突变时导致的输出电压和输出电流大幅度波动。
附图说明
图1是本发明的控制方法的流程示意图；
图2是本发明的LLC谐振变换器的主电路图；
图3是本发明的LLC谐振变换器的等效电路图；
图4是不同负载条件下输出电压增益与工作频率的关系曲线；
图5是采用传统电流反馈时的输入电压与输出电流的波形；
图6是采用电流平方反馈时的输入电压与输出电流的波形；
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1至图6所示的一种基于电流反馈的LLC谐振电路的控制方法,在很多实际应用场合，例如电池充电，往往需要LLC系统实现恒流输出，但是实际上，由于LLC前端输入电压是由不控整流所得，可能会存在波动，导致LLC的输出电压波动，进而导致输出电流波动；因此必须提高电流内环的响应速度，从而提高给定电压的响应速度，降低输出电流波动；
具体包括以下步骤，
S1、获取LLC谐振电路的输出电压和频率的增益曲线；
S2、采集LLC谐振电路副边侧的电流，将采集的电流和给定电流之间的电流差值按照约束条件放大后输入PI调节器中，得到LLC谐振电路副边侧的给定输出电压；
S3、通过得到的给定输出电压结合增益曲线得到工作频率，按照给定工作频率控制LLC谐振电路，实现闭环控制。
首先根据LLC谐振电路原边侧输入直流电压、副边侧输出直流电压、输出电流范围、最大开关频率和谐振频率等工作条件计算出电感和电容参数，并对描绘出对应的输出电压与频率的增益曲线；然后采集副边侧的电流和电压，并取电流的平方，将实际电流的平方和给定电流的平方作差并送入PI调节器，得到副边侧的给定输出电压；最后根据给定输出电压和频率增益曲线得到工作频率；
根据上述控制方法具体实施如下：
1、步骤S1中的S11、根据LLC谐振电路的工作条件计算出该拓扑谐振电感、励磁电感和谐振电容的相关参数；
其中，LLC谐振变换器原边侧交流输入电流为220V±20％，不控整流输出直流电压为250～370V，副边侧的输出直流电压为50～74V，额定输出电压为60V，输出电流为10A，负载电阻为6Ω，开关频率的最大值为236kHz，谐振频率为118kHz；
LLC谐振电路输出电压增益的最大、最小和额定值可以分别表示为：
Figure BDA0003162617470000051
其中，Gmax、Gmin和Gnom分别代表输出电压增益的最大、最小和额定值；uout,max、uout,min和uout,nom分别代表输出电压的最大、最小和额定值；uin,max、uin,min和uint,nom分别代表输入电压的最大、最小和额定值。
变压器原副边匝比(额定输入时假定fn＝1)可表示为：
Figure BDA0003162617470000052
输入电压最大且fn＝2空载时输出增益最小，可计算谐振电感与励磁电感比值：
Figure BDA0003162617470000053
其中，fn表示工作频率与谐振频率的比值，λ表示谐振电感与励磁电感比值。
品质因数Q的最大值可以表示为：
Figure BDA0003162617470000054
输入电压最小且负载最大时，工作于零电压关断状态的最大Q值一般取0.9～0.95
QZVS1＝0.95Qmax＝0.665 (5)
计算输入电压最大且fn＝2空载时，工作于ZVS的最大Q值
Figure BDA0003162617470000061
因此，整个工作范围内(空载～满载)可允许最大的Q值
QZVS＝min{QZVS1,QZVS2}＝0.076 (7)
谐振腔特征阻抗和所有的元件值可以表示为：
Figure BDA0003162617470000062
2、步骤S1中的S12、根据LLC谐振电路的实际参数算出输出电压增益Gr与工作频率f之间的关系；
基于如图3所示的LLC谐振变换器的等效电路，
LLC谐振变换器副边侧负载电阻的等效阻抗可以表示为：
Figure BDA0003162617470000063
其中，Ro表示副边侧负载的实际电阻，n表示隔离变压器原副边的匝数比。
LLC谐振变换器的输入阻抗可以表示为：
Figure BDA0003162617470000064
因此，LLC谐振变换器的输出电压增益可以表示为：
Figure BDA0003162617470000065
其中，
Figure BDA0003162617470000071
3、采集LLC谐振电路副边侧的实际电流，将采集的实际电流和给定电流之间按照平方差进行差值运算后，将差值输入PI调节器中，得到LLC谐振电路副边侧的给定输出电压；
其中，将电流取平方后可以放大采样电流与给定电流的偏差值，提高LLC工作频率的响应特性；例如，给定电流为10A，假设采样电流为9.8A，
当采用传统电流反馈时，PI调节器的输入为0.2；
而采用本申请的电流平方反馈时，PI调节器的输入为3.96。
因此，在采用相同PI调节器的情形下，电流平方反馈的产生的偏差量远大于电流反馈；PI调节器输出的响应速度也会大大提高，即LLC输出电压增益对电流波动的响应速度会大大提高，从而可以抑制输入电压的波动对输出电流波动的影响。
4、通过得到的给定输出电压结合增益曲线得到工作频率，根据给定工作频率，令系统工作在给定工作频率即可保证系统的实际输出电压等于给定输出电压，从而完成输出电压的闭环控制。
5、评估结果的验证
为了验证本申请的LLC谐振电路的控制方法的准确性，试验人员构建LLC谐振电路进行测量，每次测量的电路为同一电路，在相同的参数、温度等条件下进行工作；最后的测量结果如附图5和附图6所示；附图5为采用传统电流反馈时的输入电压与输出电流的波形；附图6为采用电流平方反馈时的输入电压与输出电流的波形；对比附图5和附图6的最下方的波形可知，附图5的波形波动较大，而附图6中波形波动要远远小于附图5中的波形波动；因此，通过该测试验证了控制方法的有效性和可靠性。
本发明通过控制方法不仅提高了环路的响应速度，同时还可以更好的处理后级负载突变问题，降低负载突变时导致的输出电压和输出电流大幅度波动(负载突变时会导致输出电压和输出电流大幅度波动，处理负载突变的本质就是处理输出电压和输出电流的大幅度波动，而本发明采用的控制方法提高了输出电流的响应速度，因此可以更好地处理负载突变)，一举两得。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于电流反馈的LLC谐振电路的控制方法,其特征在于：包括以下步骤，
S1、获取LLC谐振电路的输出电压和频率的增益曲线；
S2、采集LLC谐振电路副边侧的电流，将采集的电流和给定电流之间的电流差值按照约束条件放大后输入PI调节器中，得到LLC谐振电路副边侧的给定输出电压；
S3、通过得到的给定输出电压结合增益曲线得到给定工作频率，按照给定工作频率控制LLC谐振电路，实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流反馈的LLC谐振电路的控制方法,其特征在于：所述步骤S1中获取LLC谐振电路的输出电压和频率的增益曲线包括以下步骤；
S11、根据LLC谐振电路的工作条件计算出该LLC谐振电路的谐振电感、励磁电感和谐振电容的相关参数；
S12、根据LLC谐振电路的实际参数算出输出电压增益Gr与工作频率f之间的关系。
3.根据权利要求2所述的一种基于电流反馈的LLC谐振电路的控制方法,其特征在于：所述步骤S11中的工作条件包括LLC谐振电路的原边侧输入直流电压、不控整流输出直流电压、副边侧输出直流电压、输出电流、最大开关频率和谐振频率。
4.根据权利要求3所述的一种基于电流反馈的LLC谐振电路的控制方法,其特征在于：所述步骤S12中输出电压增益Gr与工作频率f的关系满足
Figure FDA0003162617460000021
式中，
Figure FDA0003162617460000022
其中，fn表示工作频率f与谐振频率fr1的比值，λ表示谐振电感Lr与励磁电感Lm比值，Q表示品质因数，Re表示副边侧负载的等效电阻，Ro表示副边侧负载的实际电阻，n表示隔离变压器原副边的匝数比。
5.根据权利要求4所述的一种基于电流反馈的LLC谐振电路的控制方法,其特征在于：所述步骤S2中的约束条件具体为将采集的电流值与给定电流值之间进行平方差运算。
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