CN105006975A - Llc谐振变换器变频控制方法及其装置 - Google Patents

Llc谐振变换器变频控制方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LLC谐振变换器变频控制方法及其装置，根据基准电压Vref和输出电压经过误差放大器后生成的控制电压与输入电压和输出电压经过受控积分器得到的信号进行比较，控制LLC谐振变换器开关管的导通和关断。与电压型、电流型和电荷型PFM控制LLC谐振变换器相比，本发明具有控制回路简单，稳定性好，可靠性高，抗干扰能力强，输入、负载瞬态响应速度快等优点，可用于控制多种LLC谐振变换器，诸如：不对称半桥LLC谐振变换器，对称半桥LLC谐振变换器，对称谐振电容半桥LLC谐振变换器等。

Description

LLC谐振变换器变频控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及电力电子设备，尤其是一种LLC谐振变换器的控制方法及其装置。
背景技术
近年来，高频化、高效率和高功率密度已成为开关电源的一种发展趋势。对于传统基于脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)的变换器，开关器件工作在硬开关状态，随着开关频率的提高，开关损耗会急剧增加，使得变换器效率降低，这限制了开关频率和功率密度的进一步提高。谐振变换器利用谐振元件使开关电压或者电流周期性地过零点，从而实现零电压开关(zero voltage switch，ZVS)或零电流开关(zero currentswitch，ZCS)，减小了开关损耗。LLC谐振变换器兼具串联谐振变换器与并联谐振变换器的优点，在宽输入范围和全负载范围内，能实现开关管的ZVS和次级整流二极管的ZCS，有效地解决了提高开关频率后带来的开关损耗难题。
目前LLC谐振变换器主要采用PWM和脉冲频率调制(pulse frequencymodulation,PFM)技术。PWM调制是将变换器输出电压或电流与基准电压进行比较，得到的误差信号经过误差放大器补偿后生成控制电压，并将控制电压与固定频率的锯齿波进行比较，获得高、低电平的脉冲控制信号，再通过驱动电路控制开关管的导通和关断，实现开关变换器输出电压的调节。PWM调制结构简单，但因采用固定频率的锯齿波作为调制波，具有输入瞬态响应慢、负载瞬态响应慢等缺点。与含有固定频率锯齿波的PWM调制技术相比，PFM控制的LLC谐振开关变换器，开关频率可以调节，具有输入瞬态响应快，负载瞬态响应快等特点。电压型、电流型和电荷型PFM控制LLC谐振变换器是较为常见的LLC谐振变换器PFM控制技术。电压型PFM控制LLC谐振变换器中包含压控振荡器，控制环路由单电压环组成，动态响应速度较慢；电流型和电荷型PFM控制LLC谐振变换器通过采样初级谐振电感电流再经过整流电路将交流信号转化为直流信号，控制电路的结构复杂，变换器的体积大。
发明内容
本发明的目的是提供一种LLC谐振变换器的控制方法，使之克服现有的LLC谐振变换器控制技术的缺点，电路结构简单，且具有很好的瞬态响应，适用于多种拓扑结构的LLC谐振变换器。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：LLC谐振变换器变频控制方法,在LLC谐振变换器中获得更为良好的瞬态响应,包含如下手段:在每个开关周期内，检测输出电压，得到信号Vos，检测输入电压，得到信号Vis；将Vos和电压基准值Vref送入误差放大器产生控制信号Vc；将Vos和Vis送入受控积分器产生信号Vs；将Vc和Vs同时送入比较器生成信号Vp，将Vp送入到逻辑电路，控制受控积分器的复位以及变换器开关管的导通和关断。
本发明同时提供一种实现上述LLC谐振变换器变频控制方法的装置，由第一电压检测电路VS1、第二电压检测电路VS2、误差放大器EA、受控积分器I C、比较器CMP、逻辑电路LC、第一驱动电路DR1以及第二驱动电路DR2组成；第一电压检测电路VS1与误差放大器EA相连；第一电压检测电路VS1和第二电压检测电路VS2与受控积分器IC相连；误差放大器EA和受控积分电路IC的输出端连接在比较器CMP的输入端，比较器CMP的输出端与逻辑电路LC的输入端相连，逻辑电路LC的输出端分别连接受控积分器IC、第一驱动电路DR1和第二驱动电路DR2。
本发明所述的装置中,所述的逻辑电路LC由D触发器，延时器TL，与门AND，同或门NOR以及异或门XOR组成；D触发器的输出端连接至延时器TL的输入端；D触发器与延时器TL的输出端和与门AND的输入端相连,D触发器与延时器TL的输出端和同或门NOR的输入端相连,D触发器与延时器TL的输出端和异或门XOR的输入端相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明为LLC谐振变换器提供了一种简单可靠的控制方法，相比于传统的PFM控制LLC谐振变换器，简化了控制环路的设计，控制电路结构更简单，稳定性更好，可靠性更高。
二、本发明的LLC谐振变换器在负载发生改变时，能够快速调节开关管的导通和关断，负载瞬态响应性能高，系统稳定性好。
三、本发明的LLC谐振变换器在输入电压发生改变时，能够快速调节开关管的导通和关断，输入瞬态响应性能高，稳定性能好。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例一控制方法的电路结构框图。
图2为本发明实施例一的逻辑电路LC的电路结构框图。
图3为本发明实施例一的电路结构框图。
图4为本发明实施例一中，信号Vs，控制信号Vc，励磁电流iLm，谐振电流iLr，驱动信号VG1，驱动信号VG2及信号CC之间的关系示意图。
图5为本发明实施例一和电压型、电流型以及电荷型PFM控制的LLC谐振变换器在负载突变时输出电压的时域仿真波形。
图6为本发明实施例一和电压型、电流型以及电荷型PFM控制的LLC谐振变换器在输入电压突变时输出电压的时域仿真波形。
图7为本发明实施例二的电路结构框图。
图5中：(a)为本发明实施例一和电压型、电流型以及电荷型PFM控制LLC谐振变换器在负载增加时输出电压的时域仿真波形；(b)本发明实施例一和电压型、电流型以及电荷型PFM控制LLC谐振变换器在负载减小时输出电压的时域仿真波形。
图6中：(a)为本发明实施例一和电压型、电流型以及电荷型PFM控制LLC谐振变换器在输入电压增加时输出电压的时域仿真波形；(b)本发明实施例一和电压型、电流型以及电荷型PFM控制LLC谐振变换器在输入电压减小时输出电压的时域仿真波形。
具体实施方式
下面通过具体的实例并结合附图对本发明做进一步详细的描述。
实施例一：
图1示出，本发明的一种具体实施方式为：LLC谐振变换器TD变频控制方法及其装置，其装置主要由第一电压检测电路VS1、第二电压检测电路VS2、误差放大器EA、受控积分器IC、比较器CMP、逻辑电路LC、第一驱动电路DR1以及第二驱动电路DR2组成。第一电压检测电路VS1用于获取输出电压信息，得到信号Vos，第二电压检测电路VS2用于获取输入电压信息，得到信号Vis，误差放大器EA用于产生控制电压Vc，受控积分器IC用于产生信号Vs，比较器CMP用于产生信号Vp，逻辑电路用于产生脉冲信号CC、VG1和VG2，信号CC用于控制可控积分器IC的复位，信号VG1、VG2经由驱动电路DR1、DR2，控制LLC谐振变换器TD开关管的导通和关断。
图2示出，本例的逻辑电路LC的组成方式：由D触发器，延时器TL，与门AND，同或门NOR以及异或门XOR组成；D触发器的输出端连接至延时器TL的输入端；D触发器与延时器TL的输出端和与门AND的输入端相连,D触发器与延时器TL的输出端和同或门NOR的输入端相连,D触发器与延时器TL的输出端和异或门XOR的输入端相连。
本例采用图3的装置，可方便、快速地实现上述控制方法。图3示出，本例LLC谐振变换器变频控制方法的装置，由变换器TD和开关管S1、S2的控制装置组成。图4为信号Vs，控制信号Vc，励磁电流iLm，谐振电流iLr，驱动信号VG1，驱动信号VG2及信号CC之间的关系示意图。
本例的装置其工作过程和原理是：
控制装置采用LLC谐振变换器TD变频控制的工作过程和原理是：图3和图4示出，在每个开关周期内，第一电压检测电路VS1检测LLC谐振变换器TD的输出电压，得到信号Vos，第二电压检测电路VS2检测输入电压，得到信号Vis，将Vos和电压基准值Vref送入误差放大器EA产生控制信号Vc，将Vos和Vis送入受控积分器IC产生信号Vs，将Vc和Vs同时送入比较器CMP进行比较生成信号Vp，将Vp送入到逻辑电路产生受控积分器的复位信号CC，以及脉冲信号VG1、VG2,并经由第一驱动电路DR1、第二驱动电路DR2控制LLC谐振变换器TD开关管的导通和关断。
逻辑电路LC完成脉冲信号VG1、VG2和CC的产生和输出：图2示出，当逻辑电路的输入信号Vp为高电平时，根据触发器D的工作原理：触发器D的Q输出端信号DD为高电平，且信号DD在信号Vp的下一个上升沿来临之前保持不变；触发器D的Q输出端信号DD经过延时器TL之后形成滞后原信号固定相位差的信号TT；当信号DD和信号TT同时为高电平时，与门AND开通，输出信号VG1为高电平，否则VG1为低电平；当信号DD和信号TT同时为高电平或者同时为低电平时，同或门NOR开通，输出信号VG2为高电平，否则VG2为低电平；当信号DD和信号TT不同时为高电平或者不同时为低电平时，异或门XOR开通，信号CC为高电平，否则CC为低电平。
本例的变换器TD为不对称半桥LLC谐振变换器。
用PSIM仿真软件对本例的方法进行时域仿真分析，结果如下。
图5为采用本发明和电压型、电流型以及电荷型PFM控制的LLC谐振变换器在负载突变时输出电压的时域仿真波形，分图(a)、(b)分别对应负载增加和减小。图5(a)中，在10ms时负载电流由4A阶跃变化至6A，采用电压型、电流型以及电荷型PFM控制的LLC谐振变换器分别经过约3ms、1.5ms、1ms后进入新的稳态；而采用本发明的LLC谐振变换器进入新的稳态的调整时间为0.15ms；图5(b)中，在20ms时负载电流由6A阶跃变化至4A，采用电压型、电流型以及电荷型PFM控制的LLC谐振变换器分别经过约2ms、1.3ms、0.9ms后进入新的稳态；而采用本发明的LLC谐振变换器则经过0.11ms进入稳态；从图5还可以看出，本发明的输出电压峰峰值波动远小于电压型、电流型以及电荷型PFM控制的LLC谐振变换器输出电压峰峰值波动。可见采用本发明的LLC谐振变换器在负载突变时输出电压的瞬态超调量小，调节时间短，负载瞬态性能好。图4的仿真条件：输入电压Vin＝400V，谐振电感Lr＝100μH，励磁电感Lm＝400μH，谐振电容Cr＝20μF，电压基准值Vref＝24V，输出电容Co＝1.5mF(其等效串联电阻r为5mΩ)，延时器TL延时时间为300ns。
图6为采用本发明和电压型、电流型以及电荷型PFM控制的LLC谐振变换器在输入电压突变时输出电压的时域仿真波形，分图(a)、(b)分别对应输入电压增加和减小。图6(a)中，在10ms时输入电压由370V阶跃变化至400V，采用电压型、电流型以及电荷型PFM控制的LLC谐振变换器分别经过约2.7ms、1.4ms、0.8ms后进入新的稳态；而采用本发明的LLC谐振变换器进入新的稳态的调整时间为0.04ms；图6(b)中，在20ms时输入电压由400V阶跃变化至370V，采用电压型、电流型以及电荷型PFM控制的LLC谐振变换器经过约2.9ms、2.1ms、1ms后进入新的稳态；而采用本发明的LLC谐振变换器则经过0.05ms进入稳态；从图6还可以看出，本发明的输出电压峰峰值波动远小于电压型、电流型以及电荷型PFM控制的LLC谐振变换器输出电压峰峰值波动。可见采用本发明的LLC谐振变换器在输入电压突变时输出电压的调节时间短，瞬态变化量小，抗输入电压波动能力强。除输入电压和负载电流IO＝6A外，其它仿真条件与图5一致。
实施例二
如图7所示，本发明实施例二与实施例一基本相同，不同之处是：本例控制的变换器TD为对称半桥LLC谐振变换器。
本发明方法除可用于以上实施例中的开关变换器外，也可用于对称谐振电容半桥LLC谐振变换器等LLC电路拓扑中。

Claims (3)

1.一种LLC谐振变换器变频控制方法，在LLC谐振变换器中获得更为良好的瞬态响应,其特征在于：在每个开关周期内，检测输出电压，得到信号Vos，检测输入电压，得到信号Vis；将Vos和电压基准值Vref送入误差放大器产生控制信号Vc；将Vos和Vis送入受控积分器产生信号Vs；将Vc和Vs同时送入比较器生成信号Vp，将Vp送入到逻辑电路，控制受控积分器的复位以及变换器开关管的导通和关断。
2.一种实现权利要求1所述的LLC谐振变换器变频控制方法的装置，其特征在于：由第一电压检测电路VS1、第二电压检测电路VS2、误差放大器EA、受控积分器IC、比较器CMP、逻辑电路LC、第一驱动电路DR1以及第二驱动电路DR2组成；第一电压检测电路VS1与误差放大器EA相连；第一电压检测电路VS1和第二电压检测电路VS2与受控积分器IC相连；误差放大器EA和受控积分器IC的输出端连接在比较器CMP的输入端，比较器CMP的输出端与逻辑电路LC的输入端相连，逻辑电路LC的输出端分别连接受控积分器IC、第一驱动电路DR1和第二驱动电路DR2。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的逻辑电路LC的具体组成为：由D触发器，延时器TL，与门AND，同或门NOR以及异或门XOR组成；D触发器的输出端连接至延时器TL的输入端；D触发器与延时器TL的输出端和与门AND的输入端相连,D触发器与延时器TL的输出端和同或门NOR的输入端相连,D触发器与延时器TL的输出端和异或门XOR的输入端相连。
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