CN101931329A - Llc拓扑效率优化方法、系统及llc拓扑系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LLC拓扑的效率优化方法，包括以下步骤：1)检测LLC拓扑的输入电压；2)根据检测到的输入电压计算出给定的输出母线电压如下：Vbus＝n＊Vin，其中Vbus为LLC拓扑输出母线电压，Vin为输入电压，n为变压器副边对原边的变比；3)将LLC拓扑的输出电压调整到给定的输出母线电压。还公开了一种相应的LLC拓扑效率优化系统以及LLC拓扑系统。本发明将LLC拓扑的工作频率维持在谐振频率点附近，扩大了系统在谐振频率点的工作范围，提高了系统的整体工作效率。

Description

LLC拓扑效率优化方法、系统及LLC拓扑系统

技术领域

本发明涉及开关电源，特别是涉及一种LLC拓扑效率优化方法及系统。

背景技术

目前业界LLC拓扑主要应用于PFC(功率因素校正)电路后级加LLC降压的场合，对于电池升压的工业应用场合，业界形成的产品几乎没有。主要是低压大电流的环境导致LLC拓扑的高频高效的特点发挥不好。但由于LLC拓扑的关断损耗可控，并且可以用低压低阻抗的MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)做开关管，优化控制可以使得系统的效率也大大优于传统的PWM(脉宽调制)变换器。应用在电池升压场合的LLC拓扑在实际应用中存在以下的问题，只在额定输入输出和额定负载下实现了LLC的最小损耗点。而对于额定点以外的常见电压范围的客户价值区，LLC拓扑的系统损耗受到关断损耗的影响很大。特别是在升压的应用场合，由于环路电流很大，导致关断损耗占总损耗的比例相当可观。如何提高LLC应用场合的整体效率是此种应用下一个难点。

以下以全桥LLC拓扑后级加逆变器的系统为例解释LLC拓扑调频工作的原理：

全桥LLC电路如图1所示，谐振网络的等效电路模型如图2所示。

将变压器的副边折算到原边，按照阻抗分压原理，输入的增益如下式：

$M=\frac{\mathrm{Vp}}{\mathrm{Vi}}=\frac{\mathrm{jwLm}//\mathrm{Re}}{\mathrm{jwLr}+\frac{1}{\mathrm{jwCr}}+(\mathrm{jwLm}//\mathrm{Re})}--------------------------\left(1\right)$

式(1)表达了相同负载下，工作频率对系统增益的调节作用，Vp为变压器原边电压。

$\mathrm{Re}=\frac{8}{{\mathrm{\Π}}^2}*n^2*\frac{{V_{\mathrm{bus}}}^2}{P_O}-------------------\left(2\right)$

式(2)中，Re为等效负载，n为变压器变比。

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\Π}\sqrt{L_r{C}_r}}--------------\left(3\right)$

式(3)中，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容。

$\mathrm{Qs}=\frac{\sqrt{\frac{L_r}{C_r}}}{\mathrm{Re}}----------------\left(4\right)$

式(4)中，Qs为中间变量。

$M=\frac{1}{\sqrt{[1+\frac{\mathrm{Lr}}{\mathrm{Lm}}[{\left(\frac{\mathrm{fr}}{f}\right)}^2-1]{]}^2+{\mathrm{Qs}}^2{(\frac{f}{\mathrm{fr}}-\frac{\mathrm{fr}}{f})}^2}}----------------\left(5\right)$

式(5)中，Lm为变压器原边激磁电感。

Vo＝Vbus*(2D-1)----------------------------------------------(6)

式(6)中，Vo为逆变器的输出电压D为开关管的占空比

由LLC拓扑的基本工作原理可知，当系统工作在谐振频率点即f＝fr时，开关管的关断电流接近零开关损耗和系统的环流最小，这种情况下得到最佳的工作效率。可进一步说明如下：

对于LLC拓扑的工作模式，可以分为下面三种典型的工作区间：

1、工作频率f＞谐振频率fr，工作波形如图3所示，相同负载下工作频率越高，关断损耗越大；

2、工作频率f＝谐振频率fr，工作波形如图4所示，此时由于关断电流接近零，开关管的开关损耗也接近零；

3、工作频率f＜谐振频率fr，工作波形如图5所示，相同负载下工作频率越低，谐振腔的环流造成的损耗越大。

从工作波形可以看出，当系统工作在谐振频率点时，关断损耗和系统环流最小，拥有最佳的工作性能。

由于系统输入输出的比例关系满足下面的关系式：

$G=\frac{\mathrm{Vbus}}{\mathrm{Vin}}=\frac{n}{\sqrt{{[1+\frac{L_r}{\mathrm{Lm}}[{1-\left(\frac{f_r}{f}\right)}^2\left]\right]}^2+{\mathrm{Qs}}^2{(\frac{f}{f_r}-\frac{f_r}{f})}^2}}$

可知，当 $\frac{\mathrm{Vbus}}{\mathrm{Vin}}=n$ 时，f＝fr，此时系统的损耗最小。

按照传统的控制方案，输出母线定标Vbus是保持不变的，当输入电压变化时，系统的工作频率相应的发生变化。这导致系统工作频率远离谐振频率点，增加的开关损耗和谐振腔环流造成的损耗，成为提高系统效率的瓶颈。

发明内容

本发明的主要目的就是针对现有技术的不足，提供一种LLC拓扑效率优化方法和系统，其扩大LLC拓扑在谐振频率点的工作范围，提高系统的工作效率。

本发明的另一目的提供一种效率优化的LLC拓扑系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种LLC拓扑效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测LLC拓扑的输入电压；

2)根据检测到的输入电压计算出给定的输出母线电压如下：Vbus＝n*Vin，其中Vbus为输出母线电压，Vin为输入电压，n为变压器副边对原边的变比；

3)将LLC拓扑的输出电压调整到给定的输出母线电压。

优选地，所述输入电压为电池电压。

优选地，所述步骤3)之前还包括对LLC拓扑的输出电压进行检测，所述步骤3)包括根据输出电压的检测结果进行调整。

一种LLC拓扑效率优化系统，其特征在于，包括：

输入电压检测模块，用于检测LLC拓扑的输入电压；

输出电压给定模块，用于根据检测到的输入电压计算给定的输出母线电压如下：Vbus＝n*Vin，其中Vbus为输出母线电压，Vin为输入电压，n为变压器副边对原边的变比；

输出电压调整模块，用于将LLC拓扑的输出电压调整到给定的输出母线电压。

优选地，所述输入电压为电池电压。

优选地，还包括输出电压检测模块，用于检测LLC拓扑的输出电压并反馈至所述输出电压调整模块。

所述LLC拓扑可以为半桥、全桥或不对称半桥拓扑。

一种LLC拓扑系统，包括LLC拓扑主电路和所述的LLC拓扑效率优化系统。

优选地，所述LLC拓扑主电路的输出母线后级带逆变器。

本发明有益的技术效果是：

根据本发明，在变压器变比n确定的情况下，将LLC拓扑的输出电压(通常为母线电压)的给定约定为输入电压的函数，——使LLC拓扑的输入输出电压保持一定的函数关系：Vbus＝n*Vin，最主要的表现是，这样处理后，就可以保证在输入电压变化时，母线电压跟随输入电压按照该函数关系而变化，从而系统的工作频率：f＝fr，即维持在谐振频率点附近，此时系统的损耗最小，效率最高。

与传统的母线电压恒定的控制方案相比，本发明扩大了LLC拓扑系统在谐振频率点的工作范围，有效扩展了LLC应用的最佳效率工作区，大大提高了LLC拓扑的系统工作效率。

附图说明

图1展示了全桥LLC拓扑后级加逆变器的电路；

图2为图1的谐振网络的等效电路模型；

图3-图5为LLC拓扑工作在不同频率下开关管的电流电压波形。

图6为本发明LLC拓扑效率优化方法一种实施例的流程图；

图7为本发明LLC拓扑效率优化系统一种实施例的结构示意图；

图8为全桥LLC拓扑后级加全桥逆变器的示例图；

图9为半桥LLC拓扑后级加半桥逆变器的示例图。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

具体实施方式

请参考图6，本发明一种实施例的LLC拓扑效率优化方法包括以下步骤：

步骤1：检测LLC拓扑的输入端电池的电压；

步骤2：计算出给定的输出电压如下：Vbus＝n*Vin，其中Vbus为输出电压，Vin为输入电压，n为变压器副边对原边的变比，优选进一步计算出给定的输出电压为K*n*Vin，其中K为根据寄生参数对系统增益的影响而确定的调整系数；

步骤3：将LLC拓扑的输出端母线电压调整到给定的输出电压。

优选地，在步骤3之前还包括步骤1′：对LLC拓扑的输出电压进行检测；所述步骤3)包括根据输出电压的检测结果进行调整。这使得输出电压在负载发生波动的情况下仍然能达到或近似于给定的输出电压。

请参考图7，本发明的LLC拓扑效率优化系统包括输入电压检测模块、输出电压给定模块和输出电压调整模块。其中，输入电压检测模块用于检测LLC拓扑的输入电压；输出电压给定模块用于根据检测到的输入电压计算给定的输出电压如下：Vbus＝n*Vin，其中Vbus为输出电压，Vin为输入电压，n为变压器副边对原边的变比；输出电压调整模块用于将LLC拓扑的输出电压调整到给定的输出电压。

在一种实施例中，系统包括了同时检测母线电压、电池电压的电路，即除了输入电压检测模块之外，还包括输出电压检测模块，用于检测LLC拓扑的输出电压即母线电压并反馈至输出电压调整模块。

在各种实施例中，可采用已知的各种电池电压、母线电压采样方式，可采用已知的各种方案来实现输出电压的反馈环路，也可采用包括软件或硬件的方法来实现对母线电压的计算定标。

同时，本发明所适用的LLC拓扑包括但不限于半桥、全桥以及不对称半桥拓扑。

在另一方面，本发明还提供一种LLC拓扑系统，包括LLC拓扑主电路和前述的LLC拓扑效率优化系统。

优选地，LLC拓扑主电路的输出母线后级带逆变器。如图8所示，一种实例的LLC拓扑系统采用全桥LLC拓扑后级加全桥逆变器。如图9所示，另一种实例的LLC拓扑系统采用半桥LLC拓扑后级加半桥逆变器。

根据本发明的效率优化方案，虽然由于LLC拓扑输出母线电压的调整还受到输出电压范围、器件应力、变换效率等条件的约束，不能保证系统在任何工况下都工作在谐振频率点，但是，与传统的母线电压恒定的控制方法相比，本发明使得电路在额定工况以外的工况实现了谐振频率点下工作，大大地扩展了LLC应用的最佳效率工作区，提高了系统整体的工作效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种LLC拓扑效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测LLC拓扑的输入电压；

2)根据检测到的输入电压计算出给定的输出母线电压如下：Vbus＝n*Vin，其中Vbus为输出母线电压，Vin为输入电压，n为变压器副边对原边的变比；

3)将LLC拓扑的输出电压调整到给定的输出母线电压。

2.如权利要求1所述的LLC拓扑效率优化方法，其特征在于，所述输入电压为电池电压。

3.如权利要求1或2所述的LLC拓扑效率优化方法，其特征在于，所述步骤2)中，进一步计算出给定的输出电压为K*n*Vin，其中K为根据寄生参数对系统增益的影响而确定的调整系数。

4.如权利要求1或2所述的LLC拓扑效率优化方法，其特征在于，所述步骤3)之前还包括对LLC拓扑的输出电压进行检测，所述步骤3)包括根据输出电压的检测结果进行调整。

5.一种LLC拓扑效率优化系统，其特征在于，包括：

输入电压检测模块，用于检测LLC拓扑的输入电压；

输出电压给定模块，用于根据检测到的输入电压计算给定的输出母线电压如下：Vbus＝n*Vin，其中Vbus为输出母线电压，Vin为输入电压，n为变压器副边对原边的变比；

输出电压调整模块，用于将LLC拓扑的输出电压调整到给定的输出母线电压。

6.如权利要求5所述的LLC拓扑效率优化系统，其特征在于，所述输入电压为电池电压。

7.如权利要求5所述的LLC拓扑效率优化系统，其特征在于，还包括输出电压检测模块，用于检测LLC拓扑的输出母线电压并反馈至所述输出电压调整模块。

8.如权利要求5-7中任一项所述的LLC拓扑效率优化系统，其特征在于，所述LLC拓扑为半桥、全桥或不对称半桥拓扑。

9.一种LLC拓扑系统，其特征在于，包括LLC拓扑主电路和根据权利要求4所述的LLC拓扑效率优化系统。

10.如权利要求9所述的LLC拓扑系统，其特征在于，所述LLC拓扑主电路的输出母线后级带逆变器。

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