CN104269999A

CN104269999A - 谐振变换器的闭环启动方法

Info

Publication number: CN104269999A
Application number: CN201410315522.0A
Authority: CN
Inventors: 段善旭; 仰冬冬; 陈昌松; 郑锐畅
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Wuhan Matrix Energy Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: CN104269999B

Abstract

本发明公开了谐振变换器的闭环启动方法；谐振变换器包括依次串联连接的桥式电路、谐振电路、变压器、整流电路、滤波电路；以及输入检测电路、驱动电路、峰值检测电路、输出检测电路和数字处理器。输入检测电路连接于谐振变换装置输入端，检测输入电压并送入数字处理器；驱动电路连接于数字处理器，将PWM信号转为驱动电平以驱动桥式电路；峰值检测电路连接于谐振电路，检测谐振电流峰值并送入数字处理器；输出检测电路检测输出电压和输出电流，并送入数字处理器。本发明通过峰值检测电路检测谐振电流峰值，实现容易；在启动过程中对谐振电流峰值进行闭环控制，控制简单，既保证了所述谐振变换器在启动过程中不会出现过流，又使得启动时间达到最优。

Description

谐振变换器的闭环启动方法

技术领域

本发明属于DC/DC变换器技术领域，更具体地，涉及谐振变换器的闭环启动方法。

背景技术

高效率、高功率密度、高可靠性一直是开关变换器的发展趋势，目前，谐振软开关技术已经被广泛应用于开关变换器以提高变换器效率以及功率密度。LLC谐振变换器工作在谐振频率以上，可实现输入桥式开关管的零电压导通，在一定负载范围内还可实现输出整流二极管的零电流关断，因此其具有效率高，体积小，电磁兼容性好等优点，近年来受到广泛关注。

不同于一般变换器，LLC谐振变换器采用脉冲频率调制技术(Pulse Frequency Modulation，PFM)，工作频率范围较宽，占空比始终维持在50％。通过闭环调节开关频率，维持输出电压稳定，具有输出范围宽，调节精度高，动态响应快等优点，适合大功率、宽输出范围应用场合。

通常情况下，LLC谐振变换器工作在谐振频率点，以获得最佳效率，但在启动时，若直接在谐振点启动，由于谐振阻抗为0，且输出侧滤波电容通常为了充分抑制纹波而设计得较大，启动时输出电压建立缓慢，初期输出基本处于短路状态，因此会导致启动过程中出现很大的电流冲击和电压冲击，损坏开关管、谐振电容等器件。

为限制此电流，现有技术方案有两种：一种是从远高于谐振频率的开关频率启动，占空比保持50％，然后将开关频率逐渐降低至谐振频率即额定工作点；另一种是将谐振频率固定在谐振频率附近，驱动信号占空比从0逐渐增加到50％，然后将开关频率逐渐降低至额定工作点。这两种方案的共同特点是启动过程中开关频率或驱动信号占空比的变化形式固定，相当于开环启动，这种启动方法存在以下缺陷：

(1)选定频率或占空比的变化形式后，其变化速度的选取受到启动过程中限定电流的限制；

(2)当电路参数发生漂移或者变化时，频率或者占空比的变化速度要根据电路参数重新设定，才能保证启动过程不会出现过流，或者在变化速度的设计时，考虑一定裕量，保证电路参数发生小范围变化时，仍不会出现过流，但这会导致启动速度变慢。

频率或者占空比按照固定形式变化，在启动初期和启动末期谐振电流都不能达到限定电流，启动过程中，谐振电流维持在限定电流的时间非常短，没有最大限度地利用限定电流给输出电容充电，导致输出电压建立时间较长。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供谐振变换器的闭环启动方法，旨在解决现有技术中LLC谐振变换器启动时启动时间较长的技术问题。

本发明提供的谐振变换器的闭环启动方法，包括以下步骤：

(1)获取当前控制周期的输入电压V_in和谐振电流峰值I_rp；

(2)判断所述输入电压V_in是否大于等于预定电压阈值，若是，则谐振变换器进入启动状态，转入步骤(3)；若否，则返回至步骤(1)；

(3)根据所述谐振电流峰值I_rp获得当前控制周期的谐振电流峰值误差e_n＝I_rpref-I_rp；其中，I_rpref为设定的谐振电流峰值阈值；

(4)对所述谐振电流峰值误差e_n进行比例积分处理后获得控制量PI_n＝(k_p+k_i·T_s)·e_n-k_p·e_n-1+PI_n-1；

其中，PI_n表示当前控制周期的经过比例积分计算得到的控制量，PI_n-1表示上一个控制周期的经过比例积分计算得到的控制量，比例积分计算的初始值为PI₀；e_n-1为上一控制周期的谐振电流峰值误差，初始值设定为0；k_p为比例控制参数；k_i为积分控制参数；T_s为控制周期；

(5)对所述控制量PI_n进行限幅处理PI_min≤PI_n≤PI_max；

(6)判断限幅结果是否达到额定值，若是，则启动完成；若否，则将限幅结果传递至步骤(7)；

(7)根据限幅结果产生PWM信号，所述PWM信号经驱动电路转换为用于驱动桥式电路工作的驱动电平，桥式电路受驱动电平驱动后工作，将输入电压转化为方波电压输出，方波电压在谐振电路上产生谐振电流，峰值检测电路采集谐振电流峰值输出到数字处理器，并在下一控制周期返回步骤(1)。

优选地，步骤(2)中，所述预定电压阈值为正常输入电压。

优选地，步骤(3)中，所述谐振电流峰值阈值I_rpref小于等于所述谐振变换器所能承受的门限电流值。

优选地，当所述控制量PI_n为开关周期控制量T_sw时，限幅范围为T_st≤T_sw≤T_n；其中，T_n为谐振变换器的正常工作开关周期，T_st为谐振变换器的启动周期。

优选地，当所述控制量PI_n为占空比控制量时，限幅范围为D_st≤D≤50％；其中，D_st为启动初始占空比，D_st的取值范围为0～10％。

优选地，步骤(6)中，所述额定值根据控制量含义不同而不同：当控制量表示开关周期控制量时，额定值为正常工作开关周期T_n；当控制量表示占空比控制量时，额定值为50％。

本发明启动过程中采用闭环控制，只要控制系统稳定、快速，启动过程不受电路参数影响；采用峰值检测电路，能够快速采集到谐振电流峰值，通过数字处理器的高速闭环控制，能够准确地控制启动过程中的谐振电流峰值，保证不会出现谐振电流过流；通过谐振电流峰值闭环控制，可以使得启动过程中谐振电流峰值始终维持在限定电流值，最大限度地利用了限定电流值给输出电容充电，启动时间最优；启动过程中谐振电流峰值变化较缓慢，不需要太高速度的检测及控制，对数字处理器采样速率以及控制速度的要求不高，因此实现容易，成本低。

附图说明

图1是本发明实施例的LLC谐振变换器的系统结构示意图；

图2是本发明实施例的LLC谐振变换器的电路图；

图3是本发明实施例的峰值检测电路；

图4是本发明实施例提供的谐振变换器的闭环启动方法实现流程图；

图5(a)是本发明实施例提供的启动过程中的谐振电流最大值波形图；

图5(b)是本发明实施例提供的启动过程中的输出电压波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了谐振变换器的闭环启动方法，有效地解决了现有技术中LLC谐振变换器启动时启动时间较长的问题，能够控制谐振电路在启动时的谐振电流峰值不过流，启动时间短，控制简单，容易实现。

本发明提供了谐振变换器的闭环启动方法，谐振变换器以LLC谐振变换器为例，包括依次串接的桥式电路，谐振电路，变压器，整流电路和滤波电路；以及包括输入检测电路、输出检测电路、峰值检测电路、驱动电路以及数字处理器。所述闭环启动方法的特征在于，包括以下步骤：(1) 获取当前控制周期的输入电压V_in和谐振电流峰值I_rp；(2)判断所述输入电压V_in是否大于等于预定电压阈值，若是，则谐振变换器进入启动状态，转入步骤(3)；若否，则返回至步骤(1)；(3)设置启动标志位，启动开始，计算数字处理器当前控制周期的谐振电流峰值误差：e_n＝I_rpref-I_rp，其中，I_rpref为数字处理器中设定的谐振电流峰值阈值；(4)对步骤(3)中的误差进行数字化比例积分计算：PI_n＝(k_p+k_i·T_s)·e_n-k_p·e_n-1+PI_n-1，其中，PI_n表示数字处理器当前控制周期的经过比例积分计算得到的控制量，或表示PWM信号占空比，或表示PWM信号周期；PI_n-1表示上一控制周期的经过比例积分计算得到的控制量，比例积分计算的初始值为PI₀；e_n-1为上一控制周期的谐振电流峰值误差，初始值设定为0；k_p为比例控制参数；k_i为积分控制参数；T_s为控制周期；(5)对步骤(4)中的控制量PI_n进行限幅：PI_min≤PI_n≤PI_max；(6)判断限幅结果是否达到额定值，若是，则启动完成；若否，则将限幅结果传递至步骤(7)；(7)根据限幅结果产生PWM信号，所述PWM信号经驱动电路转换为用于驱动桥式电路工作的驱动电平，桥式电路受驱动电平驱动后工作，将输入电压转化为方波电压输出，方波电压在谐振电路上产生谐振电流，峰值检测电路采集谐振电流峰值输出到数字处理器，并在下一控制周期返回步骤(1)。其中，额定值根据控制量含义不同而不同：当控制量表示开关周期控制量时，额定值为正常工作开关周期T_n；当控制量表示占空比控制量时，额定值为50％。

在本发明实施例中，步骤(3)中的谐振电流峰值阈值I_rpref小于等于谐振变换器所能承受的门限电流，而门限电流依据桥式电路开关器件、谐振元件的额定电流参数决定。

在本发明实施例中，步骤(4)中的比例控制参数k_p以及积分控制参数 k_i根据以下步骤确定：

A、选取初始值k_p＝1，k_i＝0，进行仿真或者实验；

B、先调试k_p参数，如果仿真或实验结果表明启动过程中谐振电流峰值出现震荡，则减小k_p直至消除震荡，否则，增大k_p直至谐振电流峰值能最快到达稳定值；

C、固定k_p值，取k_i＝100，进行仿真或者实验；

D、调试k_i参数，如果仿真或者实验结果表明启动过程中谐振电流峰值出现震荡，则减小k_i值直至消除震荡，否则，增大k_i直至谐振电流峰值能最快达到指令值I_rpref。

在本发明实施例中，步骤(4)中的控制量PI_n为开关周期控制量T_sw，控制谐振变换器的开关周期。此时，启动过程中，PWM信号占空比固定为50％。

在本发明实施例中，步骤(5)中的限幅范围为T_st≤T_sw≤T_n，其中，T_n为谐振变换器的正常工作开关周期，一般为谐振周期T_r，T_st为谐振变换器的启动周期，一般远低于谐振周期T_r；步骤(6)中所产生的PWM信号周期为T_sw，占空比为50％。

在本发明实施例中，步骤(5)中的控制量PI_n为占空比控制量，控制所述LLC谐振变化器的PWM信号占空比D。此时，启动过程中，开关周期固定在正常工作开关周期T_n。对应地，步骤(5)中的限幅范围为D_st≤D≤50％，其中，D_st为启动初始占空比，选择范围为0～10％；步骤(6)中所产生的PWM信号周期为T_n，占空比为D。

在本发明实施例中，桥式开关电路为全桥开关电路，包括第一和第二桥臂，所述第一桥臂上设有第一和第二开关管，所述第二桥臂上设有第三和第四开关管，其中，所述第一和第四开关管不相邻，所述第二和第三开关管不相邻；所述驱动电平包括第一、第二、第三和第四驱动电平，分别用于驱动所述第一、第二、第三和第四开关管，所述第一和第四驱动电平完全相同，所述第二和第三驱动电平完全相同，所述第一和第二驱动电平的周期和占空比相同，相位相差180°。

在本发明实施例中，桥式开关电路为半桥开关电路，包括一个桥臂，所述桥臂上设有第一和第二开关管；所述驱动电平包括第一和第二驱动电平，分别用于驱动所述第一和第二开关管，所述第一和第二驱动电平的周期和占空比相同，相位相差180°。

经过所述闭环启动方法，当谐振电流峰值I_rp高于设定的谐振电流峰值阈值I_rpref时，则谐振电流峰值误差e_n＜0，经过数字化比例积分计算后，控制量PI_n减小，则根据控制量PI_n产生的PWM信号，或占空比减小，或周期减小，驱动电路产生的驱动电平的占空比或周期也减小，进而使得桥式电路输出的方波电压有效值减小，因此，谐振电路输出的谐振电流峰值I_rp减小，形成稳定的闭环控制；当谐振电流峰值I_rp低于设定的谐振电流峰值阈值I_rpref时，则谐振电流峰值误差e_n＞0，经过数字化比例积分计算后，控制量PI_n增大，则根据控制量PI_n产生的PWM信号，或占空比增大，或周期增大，驱动电路产生的驱动电平的占空比或周期也增大，进而使得桥式电路输出的方波电压有效值增大，因此，谐振电路输出的谐振电流峰值I_rp增大，形成稳定的闭环控制。最终谐振电流峰值I_rp被稳定控制在谐振电流峰值阈值I_rpref。

与现有技术相比，本发明的主要优点是：

(1)本发明采用峰值检测电路，能够快速采集到谐振电流峰值，通过数字处理器的高速闭环控制，能够准确地控制启动过程中的谐振电流峰值，保证不会出现谐振电流过流；

(2)启动过程中采用闭环控制，只要控制系统稳定、快速，启动过程不受电路参数影响；

(3)通过谐振电流峰值闭环控制，可以使得启动过程中谐振电流峰值始终维持在限定电流值，最大限度地利用了限定电流值给输出电容充电，启动时间最优；

(4)启动过程中谐振电流峰值变化较缓慢，不需要太高速度的检测及控制，对数字处理器采样速率以及控制速度的要求不高，因此实现容易，成本低。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的LLC谐振变换器的闭环启动方法中，所述LLC谐振变换器包括依次串接的桥式电路10、谐振电路11、变压器12、整流电路13、滤波电路14，以及输入检测电路20、驱动电路21、峰值检测电路22、输出检测电路23、数字处理器30，桥式电路10受驱动电平驱动后，将输入直流电压转为与驱动电平同频率的方波电压输出；方波电压经过谐振电路11，形成一定的谐振阻抗，产生谐振电流；谐振电流流进变压器12原边，经过变换后从变压器12副边流出；整流电路13对变压器12的副边电流进行整流，输出半波电流；滤波电路14对整流电路13的输出电流进行滤波后，输出直流电流给负载供电。其中，输入检测电路20，输入端与桥式电路10的输入端连接后作为LLC谐振变换装置的输入端，输出端连接至数字处理器30的第一输入端，用于采集输入电压V_in；驱动电路21的输入端与数字处理器30的输出端连接，输出端与桥式电路10的驱动端连接，根据数字处理器30输出的PWM控制信号产生驱动电平；峰值检测电路22的输入端连接至谐振电路11的输出端，峰值检测电路22的输出端连接至数字处理器30的第二输入端，用于采集谐振电流；输出检测电路23的输入端连接至滤波电路14的输出端，输出检测电路23的输出端连接至数字处理器30的第三输入端，用于采集输出电压和输出电流；数字处理器30根据采集的输入电压V_in和谐振电流输出，并根据采集的输出电压和输出电流输出PWM控制信号。控制所述LLC谐振变换装置的运行，本实施例中采用TMS320F2808芯片作为数字处理器。

本发明实施例以LLC谐振变换器为例，详述其闭环启动方法如下，包括如下步骤：

(1)获取当前控制周期的输入电压V_in和谐振电流峰值I_rp；

(3)根据所述谐振电流峰值I_rp获得当前控制周期的谐振电流峰值误差e_n＝I_rpref-I_rp；其中，I_rpref为设定的谐振电流峰值阈值，该值小于等于谐振变换器所能承受的门限电流，门限电流依据桥式电路开关器件、谐振元件的额定电流参数决定；

具体地，控制量PI_n为开关周期控制量T_sw，控制所述谐振变换器的开关周期。此时，启动过程中，PWM信号占空比固定为50％。

或者，控制量PI_n为占空比控制量，控制所述PWM信号占空比D。此时，启动过程中，开关周期固定在正常工作开关周期T_n。

具体地，比例控制参数k_p以及积分控制参数k_i根据以下步骤确定：

A、选取初始值k_p＝1，k_i＝0，进行仿真或者实验；

C、固定k_p值，取k_i＝100，进行仿真或者实验；

(5)对所述控制量PI_n进行限幅处理PI_min≤PI_n≤PI_max；与步骤(4)对应，若控制量PI_n为开关周期控制量T_sw，则限幅范围为T_st≤T_sw≤T_n，其中，T_n为谐振变换器的正常工作开关周期，一般为谐振周期T_r，T_st为谐振变换器的启动周期，一般远低于谐振周期T_r；若控制量PI_n为占空比控制量，则限幅范围为D_st≤D≤50％，其中，D_st为启动初始占空比，选择范围为0～10％；

当谐振电流峰值I_rp高于设定的谐振电流峰值阈值I_rpref时，则谐振电流峰值误差e_n＜0，经过数字化比例积分计算后，控制量PI_n减小，则根据控制量PI_n产生的PWM信号，或占空比减小，或周期减小，驱动电路产生的驱动电平的占空比或周期也减小，进而使得桥式电路输出的方波电压有效值减小，因此，谐振电路输出的谐振电流峰值I_rp减小，形成稳定的闭环控制；当谐振电流峰值I_rp低于设定的谐振电流峰值阈值I_rpref时，则谐振电流峰值误差e_n＞0，经过数字化比例积分计算后，控制量PI_n增大，则根据控制量PI_n产生的PWM信号，或占空比增大，或周期增大，驱动电路产生的驱动电平的占空比或周期也增大，进而使得桥式电路输出的方波电压有效值增大，因此，谐振电路输出的谐振电流峰值I_rp增大，形成稳定的闭环控制。最终谐振电流峰值I_rp被稳定控制在谐振电流峰值阈值I_rpref。

如图2所示，是本发明实施例的LLC谐振变换器的电路图，包括依次串接的桥式电路10、谐振电路11、变压器12、整流电路13和滤波电路14。桥式电路10包括T1、T2、T3和T4四个开关管，开关管T1至T4均包含MOSFET、续流二极管以及缓冲电容，MOSFET、续流二极管以及缓冲电容并联连接。开关管T1和开关管T2处于同一桥臂，开关管T3和开关管T4处于同一桥臂，两桥臂连接于输入电源的正负母线，输入电源电压为600V，开关管T1和开关管T2间的点A与开关管T3和开关管T4间的点B引出接于后端谐振电路。

谐振电路11包括电感L_r和电容C_r，电感L_r与电容C_r串联，电感感值L_r＝37.07uH，电容容值C_r＝23.63nF，谐振频率为170kHz。

变压器12包括第一变压器和第二变压器，第一变压器和第二变压器均具有三个绕组，变比均为26∶3∶3。第一变压器原边绕组与第二变压器原边绕组串联连接，第一变压器副边绕组端子s2、s3和第二变压器副边绕组端子s6、s7共同连接于输出负极，绕组端子s1、s4、s5、s8接于后端整流电路。

整流电路13包括第一至第四共四个二极管，第一二极管D₅的正极接于第一变压器副边端子s1，第二二极管D₆的正极接于第一变压器副边端子s4，第三二极管D₇的正极接于第二变压器副边端子s5，第四二极管D₈的正极接于第二变压器副边端子s8，第一至第四二极管负极共同连接于输出正极。

滤波电路14包括电容器C，并接于输出正负极，其容值C＝11.48mF。

图3所示为所述峰值检测电路实施例，包括CT线圈、采样电阻Rrs、电容Crs、半波整流模块221和峰值检测模块222；其中谐振电路的输出从CT线圈中穿过，CT线圈匝比数为1∶200，CT线圈副边输出电流与谐振电流之比为1∶200，采样电阻Rrs并接于CT线圈输出，将CT输出的交流电流信号转换为交流电压信号V₄，电容Crs并接于采样电阻Rrs，对电压V₄进行滤波；电阻R₈、R₉、R₂₀和二极管D₉、D₁₀以及运算放大器A3构成半波整流模块221，对交流电压信号V₄进行半波整流，输出只有正半波的电压信号V₅，二极管D₁₁、电容C₇、电阻R₁₁以及运算放大器A4构成峰值检测模块222，对半波电压信号V₅的峰值进行采集，输出峰值直流电压信号V_{rp_s}，电压V_{rp_s}输入到数字处理器30，通过数字处理器30内部的AD模块进行AD转换。

启动过程中保持开关频率为谐振频率170kHz，设定谐振电流峰值阈值为20A，对谐振电流峰值进行闭环控制，设计PI参数为：k_p＝5，k_i＝50000，PI计算结果为占空比控制量，占空比限幅为10％～50％，按照此参数进行启动过程的仿真分析，仿真结果图5(a)和图5(b)所示。图5(a)为启动过程中的谐振电流波形，可以看出，谐振电流在启动过程中始终维持在设定的谐振电流峰值阈值20A，图5(b)为启动过程中的输出电压波形，输出电压建立时间为16ms。仿真结果表明：闭环启动方法有效地控制了启动过程中的谐振电流峰值，让谐振电流峰值在启动过程中始终维持在设定指令，极大地缩短了输出电压建立时间，证明了所述闭环启动方法的有效性。

本发明的启动方法采用峰值检测电路，能够快速采集到谐振电流峰值，通过数字处理器的高速闭环控制，能够准确地控制启动过程中的谐振电流峰值，保证不会出现谐振电流过流；闭环控制具有很强的鲁棒性，启动过程不易受电路参数影响；通过谐振电流峰值闭环控制，可以使得启动过程中谐振电流峰值始终维持在限定电流值，最大限度地利用了限定电流值给输出电容充电，启动时间最优；启动过程中谐振电流峰值变化较缓慢，不需要快速检测及控制，对数字处理器采样速率以及控制速度的要求不高，因此实现容易，成本低。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种谐振变换器的闭环启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取当前控制周期的输入电压V_in和谐振电流峰值I_rp；

(5)对所述控制量PI_n进行限幅处理PI_min≤PI_n≤PI_max；

2.如权利要求1所述的闭环启动方法，其特征在于，步骤(2)中，所述预定电压阈值为正常输入电压。

3.如权利要求1所述的闭环启动方法，其特征在于，步骤(3)中，所述谐振电流峰值阈值I_rpref小于等于所述谐振变换器所能承受的门限电流值。

4.如权利要求1-3任一项所述的闭环启动方法，其特征在于，当所述控制量PI_n为开关周期控制量T_sw时，限幅范围为T_st≤T_sw≤T_n；其中，T_n为谐振变换器的正常工作开关周期，T_st为谐振变换器的启动周期。

5.如权利要求1-3任一项所述的闭环启动方法，其特征在于，当所述控制量PI_n为占空比控制量时，限幅范围为D_st≤D≤50％；其中，D_st为启动初始占空比，D_st的取值范围为0～10％。

6.如权利要求4所述的闭环启动方法，其特征在于：步骤(6)中，当控制量为开关周期控制量时，所述额定值为正常工作开关周期T_n。

7.如权利要求5所述的闭环启动方法，其特征在于：步骤(6)中，当控制量为占空比控制量时，额定值为50％。