CN103887982A - 一种数字llc中zvs的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字LLC中ZVS的控制方法，属于LLC电路技术领域。本发明采用双闭环控制，外环为电流环，内环为电压环，外环以LLC输出电流Io为反馈量，以设定参考值Iref为电流给定量，根据Iref与Io的差值进行PI调节输出Vo_ref，内环以输出的Vo_ref为电压给定量，以LLC输出电压Vo为反馈，根据Vo_ref与Vo的差值进行PI调节输出得到开关频率fs，根据死区时间Tdead和fs的关系计算死区时间Tdead，利用死去时间Tdead对LLC进行PWM控制。通过本发明的数字LLC中ZVS的控制方法，实现了实时调节死区的方法，既提高了LLC工作频率，在低频工作又减少了MOS管损耗，实现了最优ZVS。

Description

一种数字LLC中ZVS的控制方法

技术领域

本发明涉及一种数字LLC中ZVS的控制方法，属于LLC电路技术领域。

背景技术

目前，LLC电路拓扑在大功率整流电路中较为常见，其优良的软开关特性可以大幅减小电源的开关损耗，提供能量的传输效率，显著降低电源的噪声和EMI，是目前使用最普遍的大功率拓扑之一。

市场上中小功率充电机采用全桥LLC拓扑为主，如图1所示，为了实现ZVS，设计上需要固定一个死区时间（Tdead）来实现ZVS；此时满足ZVS的最大频率可以通过公式（1）计算得出：

$\mathrm{fs}=\frac{\mathrm{Vo}*N}{\mathrm{Vin}}*\frac{\mathrm{Tdead}}{16*\mathrm{Coss}*\mathrm{Lp}}---\left(1\right)$

其中Tdead为死区时间，fs为实现ZVS的开关频率，Vo为LLC输出电压，Vin为LLC输入电压，N为变压器匝比，Coss为原边MOS管的等效输出电容，Lp为变压器励磁感量。

通过公式（1）可知，在Vin、Vo、N、Coss、Lp固定时，Tdead与fs成正比关系。

$\mathrm{Tdead}=\frac{\mathrm{Vin}*16*\mathrm{Coss}*\mathrm{Lp}}{\mathrm{Vo}*N}*\mathrm{fs}---\left(2\right)$

目前LLC电路拓扑工作时死区时间是固定的，决定了其存在如下问题：

1）死区固定，可实现ZVS的频率范围就固定，不能提高工作频率；

2）在工作频率低于fs时，Tdead没有相应的减少，此时会增加MOS管寄生体二极管的导通损耗，且离fs越远，寄生体二极管的导通损耗越多，从而影响了整体的效率。

目前电源产品市场上，LLC拓扑电路主要采用的芯片，有意法半导体的L6599，宏冠的CM6901，飞兆的FSFR2100、FSFR2100，英飞凌的ICE1HS01G、ICE2HS01G，德州仪器（TI）的UCC25600，NXP的TEA1610，安森美（ON）的MC33067、NCP1395等芯片。下面以L6599为代为介绍其ZVS的实现原理。

ST的L6599芯片，适用于全桥或半桥LLC拓扑，通过内部高精度振荡器，可以提供最大500kHz的工作频率。通过芯片输出的180°反相、固定50%的占空比，驱动全桥（半桥）电路交替开关。实际工作的占空比包含一个固定的死区时间TD，死区时间内上下臂两只MOS管均关断，正是通过设置的死区时间，确保MOS管能安全开关和ZVS的实现。

通过分析可以看到，图2中阴影带标注的为死区时间内，谐振腔电流走向，为负值。假设次电流发生在下管关断、上管即将开通前，那么根据此电流流向，它将反方向给充电电压为VDS的Q1输出结电容C_OSS1放电（同时给下管电压已经放电至0V的Q2输出结电容C_OSS2充电）。通过计算及设置好的电路参数，此反向电流能够确保在死区时间t_DEAD内将C_OSS1放电完毕，将C_OSS2充电完毕（至V_DS）。此后Q1在驱动电平作用下开通，Q1开通过程中V_DS与I_D将不存在交叠，从而实现了ZVS，如图3所示。由图可以看到，LLC工作模式实现了MOS管V_DS与I_D在开通时的零交叠，实现ZVS，从而减少了开关损耗。以上是ST公司的L6599谐振控制芯片ZVS的实现原理。由于其死区时间是固定的，工作频率范围会受限制，频率低的时候ZVS的实现时也带来了MOS管的能量损耗。模拟控制芯片死区时间在工作时是固定不可调的，工作频率范围会受限制，且频率低的时候ZVS的实现时也带来了MOS管的能量损耗。数字控制将死区加大或分段调控，这样虽然提高了LLC的工作频率，但低频ZVS时MOS管的能量损耗问题依然存在。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字LLC中ZVS的控制方法，以解决目前数字LLC中由于死区固定导致可实现ZVS的频率范围固定以及低频ZVS时MOS管的能量损耗问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种数字LLC中ZVS的控制方法，该控制方法采用双闭环控制，外环为电流环，内环为电压环，外环以LLC输出电流Io为反馈量，以设定参考值Iref为电流给定量，根据Iref与Io的差值进行PI调节输出Vo_ref，内环以输出的Vo_ref为电压给定量，以LLC输出电压Vo为反馈，根据Vo_ref与Vo的差值进行PI调节输出得到开关频率fs，根据死区时间Tdead和fs的关系计算死区时间Tdead，利用死去时间Tdead对LLC进行PWM控制。

所述的死区时间和实现ZVS的最大开关频率fs之间的关系为：

$\mathrm{Tdead}=\frac{\mathrm{Vin}*16*\mathrm{Coss}*\mathrm{Lp}}{\mathrm{Vo}*N}*\mathrm{fs}$

其中Tdead为死区时间，fs为实现ZVS的开关频率，Vo为LLC输出电压，Vin为LLC输入电压，N为变压器匝比，Coss为原边MOS管的等效输出电容，Lp为变压器励磁感量。

所述的双闭环控制过程由DSP实现。

本发明的有益效果是:本发明采用双闭环控制，外环为电流环，内环为电压环，外环以LLC输出电流Io为反馈量，以设定参考值Iref为电流给定量，根据Iref与Io的差值进行PI调节输出Vo_ref，内环以输出的Vo_ref为电压给定量，以LLC输出电压Vo为反馈，根据Vo_ref与Vo的差值进行PI调节输出得到开关频率fs，根据死区时间Tdead和fs的关系计算死区时间Tdead，利用死去时间Tdead对LLC进行PWM控制。通过本发明的数字LLC中ZVS的控制方法，实现了实时调节死区的方法，既提高了LLC工作频率，在低频工作又减少了MOS管损耗，实现了最优ZVS。

附图说明

图1是全桥LLC的拓扑结构示意图；

图2是LLC原边输入方波电压及谐振腔电流关系原理示意图；

图3是LLC中ZVS的实现原理示意图；

图4是PI控制算法流程图；

图5是本发明数字LLC中ZVS控制方法的原理图；

图6是本发明中数字LLC控制系统的整体结构示意图；

图7是本发明实施例中PWM1与PWM2死区互补示意图；

图8是本发明实施例中反向恢复电流与PWM1和PWM2的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本实施例以图1中的全桥LLC电路来说明数字LLC中最优ZVS的实现过程。本发明中的数字LLC拓扑采用DSP为控制芯片，如图6所示，DSP控制器包括A/D转换单元、数字处理程序单元和通讯模块，DSP控制器通过对输出电压和输出电流采样做反馈，输入电压输出电流做保护。DSP控制器对输出电压和输出电流采样做反馈，输入电压和输入电流做保护，经DSP内部程序运算PI控制算法和死区公式，实现频率和死区时间一起调节，具体的控制过程如图4和图5所示。

该控制方法采用双闭环控制，外环为电流环，内环为电压环，外环以LLC输出电流Io为反馈量，以设定参考值Iref为电流给定量，根据Iref与Io的差值进行PI调节输出Vo_ref，内环以输出的Vo_ref为电压给定量，以LLC输出电压Vo为反馈，根据Vo_ref与Vo的差值进行PI调节输出得到开关频率fs，根据死区时间Tdead和fs的关系计算死区时间Tdead，利用死去时间Tdead对LLC进行PWM控制。

其中死区时间和实现ZVS的最大开关频率fs之间的关系为：

$\mathrm{Tdead}=\frac{\mathrm{Vin}*16*\mathrm{Coss}*\mathrm{Lp}}{\mathrm{Vo}*N}*\mathrm{fs}$

其中Tdead为死区时间，fs为实现ZVS的开关频率，Vo为LLC输出电压，Vin为LLC输入电压，N为变压器匝比，Coss为原边MOS管的等效输出电容，Lp为变压器励磁感量。

DSP通过采用上述控制方法输出四个驱动信号号PWM1、PWM2、PWM3和PWM4，这四个驱动信号经过驱动电路后，分别连接图1中的相对应的G1、G2、G3和G4四个信号口，其中PWM1与PWM4信号一样，PWM2和PWM3信号一样，PWM1与PWM2形成死区互补，如图7所示。

数字LLC在工作的时候，如图8所示，在Q2关断到Q1开通之间有T1的死区时间，此时由于功率回路中电感的存在会在Q1上产生反向恢复电流，利用这个电流实现了ZVS。T1时刻反向恢复电流给Q1的Coss放电，使Q1漏级与源级之间电压接近相等，Q1漏级与源级之间电压相等的时候PWM1再开通，这样形成了ZVS。但如果当反向恢复电流给Q1的Coss放电，使Q1漏级与源级之间电压接近相等后，反向恢复电流还存在的话，此时的电流会经过Q1的体二极管进行放电，增加了MOS管的损耗。同本发明的控制方法，当反向恢复电流给Q1的Coss放电，使Q1漏级与源级之间电压接近相等时，立刻开启Q1，这样就不会有反向恢复电流消耗在寄生的体二极管上，即可以实现ZVS，又可以尽量减少反向恢复电流给MOS管带来的能量损耗。

通过本发明的数字LLC中ZVS的控制方法，实现了实时调节死区的方法，既提高了LLC工作频率，在低频工作又减少了MOS管损耗，实现了最优ZVS。根据精准的计算得出实时死区时间，保证每个开关周期里的ZVS都是最理想的，达到效率最优化。

Claims (3)

1.一种数字LLC中ZVS的控制方法，其特征在于，该控制方法采用双闭环控制，外环为电流环，内环为电压环，外环以LLC输出电流Io为反馈量，以设定参考值Iref为电流给定量，根据Iref与Io的差值进行PI调节输出Vo_ref，内环以输出的Vo_ref为电压给定量，以LLC输出电压Vo为反馈，根据Vo_ref与Vo的差值进行PI调节输出得到开关频率fs，根据死区时间Tdead和fs的关系计算死区时间Tdead，利用死去时间Tdead对LLC进行PWM控制。

2.根据权利要求1所述的数字LLC中ZVS的控制方法，其特征在于，所述的死区时间和实现ZVS的最大开关频率fs之间的关系为：

$\mathrm{Tdead}=\frac{\mathrm{Vin}*16*\mathrm{Coss}*\mathrm{Lp}}{\mathrm{Vo}*N}*\mathrm{fs}$

其中Tdead为死区时间，fs为实现ZVS的开关频率，Vo为LLC输出电压，Vin为LLC输入电压，N为变压器匝比，Coss为原边MOS管的等效输出电容，Lp为变压器励磁感量。

3.根据权利要求2所述的数字LLC中ZVS的控制方法，其特征在于，所述的双闭环控制过程由DSP实现。

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