CN105763034B

CN105763034B - 一种全桥llc变换器数字软启动方法

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Publication number: CN105763034B
Application number: CN201610192755.5A
Authority: CN
Inventors: 李志忠; 兰尚荣; 李学易; 李优新; 刘东峰; 程昱; 黄国宏
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: CN105763034A

Abstract

本发明公开了一种全桥LLC变换器数字软启动方法，包括下述步骤：S1、设定初始软启动的谐振电感电流上限I_rh和下限‑I_rl，准确的将启动时的浪涌电流限定在电路稳定工作的范围之内；S2、根据电路的设计参数，通过解微分方程，准确的计算出各个开关管的开关时间；S3、保持f₁大小的开关频率不变，直至输出电压在此开关频率能够到达的稳定值V_o1；S4、在固定时间间隔内从f₁开关频率不断减小，直至输出电压达到额定的输出电压V_o，或者当f₁小于谐振频率f_r时，结束软启动。本发明对软启动过程进行优化设计，根据电路的设计参数，设定谐振网络电流的上限和下限，通过微分方程精确计算各个开关管开关的时间，然后使用数字控制查表的方法，严格控制整个软启动过程。

Description

一种全桥LLC变换器数字软启动方法

技术领域

本发明涉及电子电力与电力传动的研究领域，特别涉及一种全桥LLC变换器数字软启动方法。

背景技术

随着电力电子技术的高速发展，对开关电源提出了更加高频化、高效率、高功率密度以及低噪声等要求。目前比较成熟的软开关技术，如移相全桥也很难做到真正理想状态的软开关(包含主开关管和次级整流二极管)，并且随着开关频率的升高，其损耗也不断增加，因此寻求一种更加高效、高开关频率以及高功率密度的拓扑成为当前研究的重点。LLC谐振全桥变换器作为全桥拓扑中性能较为突出的一种，具备以下优点：初级MOSFET ZVS开通，次级整流二极管ZCS关断；电路结构简单，转换效率高；初、次级的电压应力较低；容易实现高频化，故容易实现高功率密度，并且当其工作在所设定的谐振频率时，初、次级电流都接近正弦，高次谐波小，有利于EMI设计。中国发明专利公开了一种LLC谐振变换器及其软启动方法(申请号为201510493789.3)，该技术方案通过控制器控制方波发生器的占空比由基础值逐渐增大，直至控制器判断所述LLC谐振变换器的电流大于所述预设限制值，重新控制所述方波发生器的占空比由所述基础值逐渐增大；经过上述多次循环后，直至所述控制器判断整流单元内滤波电容的电压等于预设电压值，则实现了滤波电容的电压软启动；同时，通过上述对所述LLC谐振变换器的电流的限制，可以减小原副边的冲击电流；由此也实现了电流的软启动，解决了现有技术软启动过程中电流冲击较大的问题，提高了机器的可靠性。但是上述技术方案也存在着不足，如图1所示的全桥LLC谐振变换器主电路，在全桥对管Q₁、Q₄关断以后，谐振电流使对管Q₁、Q₄的寄生电容C_oss1、C_oss4充电，使对管Q₂、Q₃的寄生电容C_oss2、C_oss3放电，对管Q₁、Q₄寄生电容C_oss1、C_oss4充到母线电压Vin，对管Q₂、Q₃的寄生电容C_oss2、C_oss3放电为零，由于驱动脉冲占空比较小，在谐振电流反向之前，对管Q₂、Q₃并没有开通，会导致对管Q₁、Q₄又会重新充电，使得开光管为硬开通。启动浪涌电流主要是由于启动时谐振电感和谐振电容的初始值的原因造成的。上述发明中为全桥LLC软启动采用PWM(脉冲宽度调制)，通过从零不断增加驱动脉冲的占空比来实现软启动的方法。当脉冲驱动占空比较小时，全桥臂各个开关管为硬开关。同时，采用此种软启动方法并不能有效限制浪涌电流在一定范围之内。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种全桥LLC数字变换器及软启动方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种全桥LLC数字软启动方法，包括下述步骤：

S1、设定初始软启动的谐振电感电流上限I_rh和下限-I_rl，准确的将启动时的浪涌电流限定在电路稳定工作的范围之内；

S2、根据电路的设计参数，通过解微分方程，准确的计算出各个开关管的开关时间；

S3、保持f₁大小的开关频率不变，直至输出电压在此开关频率能够到达的稳定值V_o1；

S4、在固定时间间隔内从f₁开关频率不断减小，直至输出电压达到额定的输出电压V_o，或者当f₁小于谐振频率f_r时，结束软启动。

作为优选的技术方案，所述步骤S1中，当母线电压V_in为额定范围时，施加驱动脉冲，需要I_rh＜I_rl。

作为优选的技术方案，所述步骤S2中，通过下述公式来计算各个开关管的开关时间：

Q₁、Q₂、Q₃、Q₄开通时间计算公式，Q₁、Q₄同时开通和关断；Q₂、Q₃同时开通和关断：

其中，U_cr、I_Lr为每个周期Q₁、Q₄管开通或者Q₂、Q₃管开通开始状态的计算初始值，V_in为整流之后母线电压，C_r、L_r分别为谐振电容和谐振电感值。

作为优选的技术方案，通过上述计算公式，计算出1～3个周期，直至调整谐振电感电流的上限和下限值一样大的时候，谐振电容电压的初始值应该为0V，此时对应的上管和下管开关时间是相同的，开关频率记为f₁。

作为优选的技术方案，整个开关过程是通过嵌入式数字控制芯片来控制，使用PWM中断或者定时器准确中断来改变增强型脉冲宽度调制模块相关寄存器的值，产生相应的脉冲驱动，来准确控制开关管的关断。

作为优选的技术方案，整个过程采用数字查表控制的方法来进行，其具体为：

定义一个数组，将开关管开通和关断的时间存储在数组元素中，所述数组设为shijian[n]＝{a₁,a₂,a₃……，a_n}，其中n为数组中元素个数为固定值，数组中元素a₁，a₂，a₃…,a_n是通过权利要求书中的公式(1)和(2)计算得出；shijian[i]表示数组中第i+1个元素，其中i为变量，数组中的元素为定时器定时参数变量；设当前i为0，定时器定时参数就为a₁，定时器在a₁个单位时间发生中断，进入中断程序，控制开关管的开通或者关断的时间，并且设置i为1，定时器定时参数就为a₂，定时器在a₂个单位时间发生中断，进入中断程序，改变开关管的状态，并且改变取数组中元素的位置值即i值，后续过程也是这样的循环方式，当i>n-1时，则结束启动过程。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明针对全桥LLC变换器启动过程中谐振网络浪涌电流比正常稳定工作时谐振网络电流大两倍以上的问题；对软启动过程进行优化设计，根据电路的设计参数，设定谐振网络电流的上限和下限，通过微分方程精确计算各个开关管开关的时间，然后使用数字控制查表的方法，严格控制整个软启动过程。通过本发明的软启动方法，可以实现启动时的谐振网络的电流和正常稳定工作时谐振网络的电流一样大小，减小启动过程中开关管的浪涌电流和电压应力。

2、与传统的从大于等于二倍谐振频率不断减小频率的软启动方法和斩波或移相软启动方法相比，本发明能够准确的将全桥LLC谐振变换器的启动电流限制在电路稳定工作时谐振电流的范围之内，大幅的减小启动时的谐振电感的浪涌电流。同时，在软启动的第二和第三步，实现了主开关管的零电压开关，整个过程采用数字查表变频控制的方法，实现了控制的数字化。

3、本发明整个开关过程是通过数字芯片来控制，使用PWM中断或者定时器准确中断来改变EPWM(增强型脉冲宽度调制模块)相关寄存器的值，产生相应的脉冲驱动，来准确控制开关管的关断。

附图说明

图1是现有技术中全桥LLC谐振变换器主电路；

图2是本发明软启动的三个步骤波形示意图；

图3是本发明全桥LLC数字变换器的硬件结构图；

图4(a)和图4(b)是本发明软启动控制系统程序流程图；

图5是本发明软启动方法中使用的数字查表控制流程图

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本发明为一种全桥LLC变换器数字软启动方法，该方法分为三个步骤。

首先，设定初始软启动的谐振电感电流上限I_rh(附图2中①所示)和下限-I_rl(附图2中②所示)。当母线电压V_in为额定范围时，施加驱动脉冲，需要I_rh＜I_rl。再根据电路的设计参数，通过解微分方程，准确的计算出各个开关管的开关时间。给出公式如下：

Q₁、Q₂、Q₃、Q₄开通时间计算公式(Q₁、Q₄同时开通和关断；Q₂、Q₃同时开通和关断)：

其中，U_cr、I_Lr为每个周期Q₁、Q₄管开通或者Q₂、Q₃管开通开始状态的计算初始值，V_in为整流之后母线电压，C_r、L_r分别为谐振电容和谐振电感值。整个全桥LLC谐振变换器主电路如附图1所示。通过上述的公式计算1～3个周期，直至调整谐振电感电流的上限和下限值一样大的时候，谐振电容电压的初始值应该为0V。此时对应的上管和下管开关时间是相同的，开关频率记为f₁。

然后，保持f₁大小的开关频率不变，直至输出电压在此开关频率能够到达的稳定值V_o1。

最后，在固定时间间隔内从f₁开关频率不断减小，直至输出电压的设计想要的输出电压V_o，或者当f₁将至谐振频率f_r时，结束软启动。其中：

整个开关过程是通过数字芯片来控制，使用PWM中断或者定时器中断来改变EPWM(增强型脉冲宽度调制模块)相关寄存器的值，产生相应的脉冲驱动，来准确控制开关管的关断。其软启动数字控制硬件框图如附图3所示，软件程序流程图如附图4(a)和图4(b)所示。附图左侧的图4(a)为主程序的流程图，首先是中断寄存器、GPIO口、系统时钟的初始化，然后显示循环等待操作器的按键指令是否进入软启动；右侧为的图4(b)软启动的中断调用程序流程图，当操作器发出软启动指令，进入中断程序，直至检测到的输出电压V_o大于设定值或者当开关频率降低至谐振频率f_r以下时候，结束软启动。

整个过程采用数字查表控制的方法来进行。具体地说，通过定义一个数组，将开关管开通和关断的时间存储在数组元素中，比如shijian[n]＝{a₁,a₂,a₃……，a_n}(其中n为数组中元素个数为固定值，数组中元素a₁，a₂，a₃…,a_n是通过上述公式(1)和(2)计算得出；shijian[i]表示数组中第i+1个元素，其中i为变量)，数组中的元素为定时器定时参数变量；设当前i为0，定时器定时参数就为a₁，定时器在a₁个单位时间发生中断，进入中断程序，控制开关管的开通或者关断的时间，并且设置i为1，定时器定时参数就为a₂，定时器在a₂个单位时间发生中断，进入中断程序，改变开关管的状态，并且改变取数组中元素的位置值即i值，后续过程也是这样的循环方式，当i>n-1时，则结束启动过程。上述工作过程流程图见附图5。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种全桥LLC变换器数字软启动方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的全桥LLC变换器数字软启动方法，其特征在于，所述步骤S1中，当母线电压V_in为额定范围时，施加驱动脉冲，需要I_rh＜I_rl。

3.根据权利要求1所述的全桥LLC变换器数字软启动方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过下述公式来计算各个开关管的开关时间：

4.根据权利要求3所述的全桥LLC变换器数字软启动方法，其特征在于，通过上述计算公式，计算出1～3个周期，直至调整谐振电感电流的上限和下限值一样大的时候，谐振电容电压的初始值应该为0V，此时对应的上管和下管开关时间是相同的，开关频率记为f₁。

5.根据权利要求3所述的全桥LLC变换器数字软启动方法，其特征在于，整个开关过程是通过数字芯片来控制，使用PWM中断或者定时器准确中断来改变增强型脉冲宽度调制模块相关寄存器的值，产生相应的脉冲驱动，来准确控制开关管的关断。

6.根据权利要求3所述的全桥LLC变换器数字软启动方法，其特征在于，整个过程采用数字查表控制的方法来进行，其具体为：

定义一个数组，将开关管开通和关断的时间存储在数组元素中，所述数组设为shijian[n]＝{a₁,a₂,a₃……，a_n}，其中n为数组中元素个数为固定值，数组中元素a₁，a₂，a₃…,a_n是通过上述公式(1)和(2)计算得出；shijian[i]表示数组中第i+1个元素，其中i为变量，数组中的元素为定时器定时参数变量；设当前i为0，定时器定时参数就为a₁，定时器在a1个单位时间发生中断，进入中断程序，控制开关管的开通或者关断的时间，并且设置i为1，定时器定时参数就为a2，定时器在a2个单位时间发生中断，进入中断程序，改变开关管的状态，并且改变取数组中元素的位置值即i值，后续过程也是这样的循环方式，当i>n-1时，则结束启动过程。