CN105207484A - 一种新型全桥llc空载及带载时的电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法，本控制方法采用的控制电路包括开关网络、谐振网络和整流网络，其中，开关网络利用开关管Q1、Q2、Q3和Q4组成单相全桥可控逆变器的结构；谐振网络采用LLC型谐振腔。在全负载范围内，本发明提出的一整套完整的电压控制方案，使得LLC可以在空载和重载的工况下均能实现输出电压控制。

Description

一种新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法

技术领域

本发明属于属于谐振变换器控制技术领域，涉及一种新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法。

背景技术

LLC谐振型高频隔离DC-DC变换器，利用LLC型的谐振腔，可实现原边的ZVS和副边的ZCS。相比于其它的隔离型DC-DC变换器，LLC变换器拥有更高的效率和功率密度，增益范围较宽，能够适应输入电压的宽范围变化。工程上常将LLC变换器应用在降压直流供电的场合下，其应用已经较为成熟。近年来，越来越多的人将其应用在分布式发电和电动汽车充放电等领域，获得了较好的效果。

但是LLC在空载工况下，受寄生参数的影响，其增益曲线出现上翘，产生输出电压抬高，难以控制的现象。对此可以在空载工况下采用定频率控制的方式，但此方法会导致LLC效率下降。为了提升效率，也可采用burst模式对其进行控制，当输出电压升高到某一上限值时，关断所有开关管的控制信号，变换器进入空闲状态，输出电压因而下降；而当输出电压降低到某一下限值时，开关管的控制信号正常给出，变换器正常工作，将电压抬高，如此往复。此方法导致输出电压纹波过大，会对供电系统造成较大电磁干扰，不利于系统的长期稳定运行。并且，受制于较窄的带宽，LLC的动态响应速度比较慢，需要提出新型控制方式以弥补此不足。

经过检索，发现以下相近领域的已公开专利文献。

一种LLC谐振变换器(CN104578804A)，通过增加的双向开关，与原边桥臂及谐振电感构建一个升压环节；再通过所述控制器对于所述双向开关的控制可实现所述LLC谐振变换器的升压控制，进而适应更宽的输入输出电压范围，解决了现有技术难适应过宽的输入输出电压范围的问题。

基于LLC拓扑的超宽输出电压范围充电机及控制方法(CN104467443A)，包括LLC谐振变换器和控制电路，LLC谐振变换器包括由MOSFET全桥变换电路组成的开关网络，开关网络的输入端与电源输入端相连，输出端与谐振网路的输入端相连，谐振网路的输出端与变压器的漏感相连，变压器的副边线圈与整流滤波网络相连；控制电路包括控制单元，控制单元根据接收的LLC谐振变换器的输入端及输出端的信号控制MOSFET全桥变换电路的MOS管的开关，使LLC谐振变换器能在全电压范围内实现原边开关管的零电压导通，副边整流二极管的零电流关断。本发明输出电压宽，不受充电对象输入电压范围的限制，可以为各种新能源电动汽车充电。

经过对比，以上公开文件的技术方案与本专利申请存在较大不同。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法,可以在不改变原电路硬件结构的基础上，实现空载工况和带载工况下LLC输出电压控制，并在空载时降低工作频率且不产生电压纹波。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法，其特征在于：本控制方法采用的控制电路包括开关网络、谐振网络和整流网络，开关网络利用开关管Q1、Q2、Q3和Q4组成单相全桥可控逆变器的结构；谐振网络采用LLC型谐振腔。

而且，开关网络具体为：开关网络的电路内并联有两条桥臂，其中一条桥臂由串联的开关管Q1和开关管Q2组成，另一条桥臂由串联的开关管Q3和开关管Q4组成；

谐振网络采用LLC型谐振腔，包含谐振电容Cr，谐振电感Lr和变压器励磁电感Lm，该谐振电容Cr，谐振电感Lr以及变压器励磁电感Lm依次串联，该谐振网络一端连接在开关管Q1与开关管Q2之间的串联电路上，谐振网络的另一端连接在开关管Q3与开关管Q4之间的串联电路上。

而且，控制步骤为：

⑴程序开始运行，首先建立全桥半桥切换控制标志位SIGNAL_FH，作为反映LLC空载或满载电压状态的符号；

⑵当该控制程序开始运行后，判定标志位SIGNAL_FH的状态，决定进入空载调节程序或带载调节程序。

而且，步骤⑴中，检测SIGNAL_FH信号时：

当LLC的原边电感电流有效值的平均值I_LrAvg小于I_Lrl时，此时SIGNAL_FH由“1”变为“0”，开关管Q3断开，开关管Q4闭合，LLC由全桥转化到半桥；

当LLC的原边电感电流有效值的平均值大于I_Lru时，此时SIGNAL_FH由“0”变为“1”，开关管Q3、Q4恢复正常导通，LLC由半桥转化到全桥；

其中，I_Lrl小于I_Lru。

而且，步骤⑵中：

当SIGNAL_FH为1，进入带载调节程序，开关管Q1、Q2、Q3和Q4采用脉冲频率调制控制策略；

当SIGNAL_FH为0，进入空载调节程序，开关管Q1和Q2的控制方式不变，将开关管Q3控制信号置“0”且将开关管Q4控制信号置“1”，使该桥臂的上方开关管断开，下方开关管闭合；

若在工作过程中，检测到SIGNAL_FH信号由“0”转换到“1”，LLC电路结构由半桥转换到全桥运行，工作频率在f_f的初值上，以Δf₂的步长变化，直至输出电压被控制在与参考值U_ref误差的绝对值在ΔU₂的范围内；

若检测到SIGNAL_FH信号由“1”转换到“0”，LLC电路结构由全桥转换到半桥运行，工作频率在f_h的初值上，以Δf₁的步长变化，直至输出电压被控制在与参考值U_ref误差的绝对值在ΔU₁的范围内。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明的主电路采用主电路包括开关网络、谐振网络和整流网络组成的全桥LLC拓扑结构，效率高、体积小、功率密度大且便于实现大功率能量变换。

2、本发明在LLC轻载的工况下，通过改变开关管的工作状态，可将全桥LLC转换成半桥LLC，实现了输出电压的控制，既降低了空载时的LLC工作频率，也不会产生过大的电压纹波。

3、在全负载范围内，本发明提出的一整套完整的电压控制方案，使得LLC可以在空载和重载的工况下均能实现输出电压控制。

附图说明

图1为全桥LLC谐振DC-DC变换器电路图；

图2为LLC谐振DC-DC变换器驱动信号；

(a)为全桥LLC驱动信号；

(b)为半桥LLC驱动信号；

图3为SIGHAL_FH信号的生成流程图；

图4为LLC空载-带载控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法，本控制方法采用的控制电路如图1所示，包括开关网络、谐振网络和整流网络，

开关网络具体为：开关网络的电路内并联有两条桥臂，其中一条桥臂由串联的开关管Q1和开关管Q2组成，另一条桥臂由串联的开关管Q3和开关管Q4组成，通过控制开关管Q1、Q2、Q3和Q4，组成单相全桥可控逆变器的结构；

谐振网络采用LLC型谐振腔，包含谐振电容Cr，谐振电感Lr和变压器励磁电感Lm，该谐振电容Cr，谐振电感Lr以及变压器励磁电感Lm依次串联，该谐振网络一端连接在开关管Q1与开关管Q2之间的桥臂上，该谐振网络另一端连接在开关管Q3与开关管Q4之间的桥臂上。

整流电路采用开关管器件或整流二极管，实现电能的传递。

本发明在传统的频率控制的基础上，对LLC的变压器原边侧的开关管Q3和开关管Q4的控制信号加以调整。当LLC处于空载状态时，如图4所示，开关管Q1、Q2、Q3和Q4采用脉冲频率调制控制策略；而当LLC处于轻载状态时，如图4所示，开关管Q1和Q2的控制方式不变，将开关管Q3控制信号置“0”且将开关管Q4控制信号置“1”，使该桥臂的上方开关管断开，下方开关管闭合。故在空载时，可将全桥LLC转换成半桥LLC，达到空载工况下有效控制输出电压的效果。

参见附图3所示的控制原理框图，本控制方案采用了一种基于死区控制器的脉冲频率控制(PFM)技术，目标是控制LLC输出的直流电压。

LLC变压器原边的四个开关管Q1至Q4的驱动信号占空比保持一致，Q1、Q4和Q2、Q3两两交替导通。通过控制四个开关管的驱动信号的频率来改变LLC的电压增益，最终达到控制输出电压的目的。

LLC的电压采样装置采集其输出端电压，采样周期为t₁。每经过t₂求一次平均值做最终的电压反馈信号，其中t₂＝nt₁(n为正整数)，此控制回路的控制周期是t₂。

本发明对全桥LLC的变压器原边侧的开关管Q3和开关管Q4的控制信号加以调整：当LLC处于重载状态时，如图2(a)所示，开关管Q1-Q4采用以上提及的频率控制；而当LLC处于轻载状态时，如图2(b)所示，开关管Q1和Q2的控制方式不变，将开关管Q3控制信号置“0”且将开关管Q4控制信号置“1”，使该桥臂的上方开关管断开，下方开关管闭合。

故在空载时，可将全桥LLC转换成半桥LLC。

综上所述，形成了一整套全桥LLC空载-满载电压控制方法。

首先，如图3所示，建立全桥半桥切换控制标志位SIGNAL_FH，即设置一个可以反映LLC空载或满载电压状态的符号，以方便对两个状态下的LLC电路分别进行控制。

如图3所示，当LLC的原边电感电流有效值的平均值I_LrAvg小于I_Lrl时，即LLC由重载转换到空载状态，此时SIGNAL_FH由“1”变为“0”。开关管Q3断开，开关管Q4闭合，LLC由全桥转化到半桥。当LLC的原边电感电流有效值的平均值大于I_Lru时，即LLC由空载转换到重载状态，此时SIGNAL_FH由“0”变为“1”。开关管Q3、Q4恢复正常导通，LLC由半桥转化到全桥。其中I_Lrl要小于I_Lru以免电感电流有效值的平均值波动时，SIGNAL_FH信号频繁地在“0”和“1”之间切换。

如图4所示，当该控制程序开始运行后，通过判定标志位SIGNAL_FH的状态，来决定进入子程序1或子程序2。

若SIGNAL_FH为0，则进入子程序1，即空载调节程序，给出空载工况的初始频率f_h信号，产生频率为f_h，占空比恒定的开关管驱动信号。此后开始利用死区控制器对空载工况下的半桥LLC变换器的频率进行调节，达到控制输出电压的目的；

若SIGNAL_FH为1，则进入子程序2，即带载调节程序，由控制器给出带载工况的初始频率f_f信号，产生频率为f_f，占空比恒定的开关管驱动信号。此后开始利用死区控制器对带载工况下的全桥LLC变换器的频率进行调节；

若在工作过程中，检测到SIGNAL_FH信号由“0”转换到“1”，则由子程序1跳转到子程序2运行，即当检测到LLC由空载状态转换到重载状态运行时，LLC电路结构由半桥转换到全桥运行，工作频率在f_f的初值上，以Δf₂的步长变化，直至输出电压被控制在与参考值U_ref误差的绝对值在ΔU₂的范围内；

若检测到SIGNAL_FH信号由“1”转换到“0”，则由子程序2跳转到子程序1运行。即当检测到LLC由重载状态转换到空载状态运行时，LLC电路结构由全桥转换到半桥运行，工作频率在f_h的初值上，以Δf₁的步长变化，直至输出电压被控制在与参考值U_ref误差的绝对值在ΔU₁的范围内。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法，其特征在于：本控制方法采用的控制电路包括开关网络、谐振网络和整流网络，开关网络利用开关管Q1、Q2、Q3和Q4组成单相全桥可控逆变器的结构；谐振网络采用LLC型谐振腔。

2.根据权利要求1所述的新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法，其特征在于：开关网络具体为：开关网络的电路内并联有两条桥臂，其中一条桥臂由串联的开关管Q1和开关管Q2组成，另一条桥臂由串联的开关管Q3和开关管Q4组成；

谐振网络采用LLC型谐振腔，包含谐振电容Cr，谐振电感Lr和变压器励磁电感Lm，该谐振电容Cr，谐振电感Lr以及变压器励磁电感Lm依次串联，该谐振网络一端连接在开关管Q1与开关管Q2之间的串联电路上，谐振网络的另一端连接在开关管Q3与开关管Q4之间的串联电路上。

3.根据权利要求1所述的新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法，其特征在于：控制步骤为：

⑴程序开始运行，首先建立全桥半桥切换控制标志位SIGNAL_FH，作为反映LLC空载或满载电压状态的符号；

⑵当该控制程序开始运行后，判定标志位SIGNAL_FH的状态，决定进入空载调节程序或带载调节程序。

4.根据权利要求3所述的新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法，其特征在于：步骤⑴中，检测SIGNAL_FH信号时：

当LLC的原边电感电流有效值的平均值I_LrAvg小于I_Lrl时，此时SIGNAL_FH由“1”变为“0”，开关管Q3断开，开关管Q4闭合，LLC由全桥转化到半桥；

当LLC的原边电感电流有效值的平均值大于I_Lru时，此时SIGNAL_FH由“0”变为“1”，开关管Q3、Q4恢复正常导通，LLC由半桥转化到全桥；

其中，I_Lrl小于I_Lru。

5.根据权利要求3所述的新型全桥LLC空载及带载时的电压控制方法，其特征在于：步骤⑵中：

当SIGNAL_FH为1，进入带载调节程序，开关管Q1、Q2、Q3和Q4采用脉冲频率调制控制策略；

当SIGNAL_FH为0，进入空载调节程序，开关管Q1和Q2的控制方式不变，将开关管Q3控制信号置“0”且将开关管Q4控制信号置“1”，使该桥臂的上方开关管断开，下方开关管闭合；

若在工作过程中，检测到SIGNAL_FH信号由“0”转换到“1”，LLC电路结构由半桥转换到全桥运行，工作频率在f_f的初值上，以Δf₂的步长变化，直至输出电压被控制在与参考值U_ref误差的绝对值在ΔU₂的范围内；

若检测到SIGNAL_FH信号由“1”转换到“0”，LLC电路结构由全桥转换到半桥运行，工作频率在f_h的初值上，以Δf₁的步长变化，直至输出电压被控制在与参考值U_ref误差的绝对值在ΔU₁的范围内。