CN106452090A - 一种半桥llc谐振变换器的闭环控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统及控制方法，该控制系统包括主电路输入电源、开关模块、谐振网络模块、变压器、整流滤波电路模块、负载、PID控制系统、VCO；该控制方法包括：当PID控制系统接收到不稳定的输出电压信号时，PID控制系统开始工作，调节输出电压，使输出电压达到稳定。本发明实现了通过改变半桥LLC谐振变换器的工作频率来调节输出电压的控制方式，通过关联的闭环控制，使开关管工作在合理的频率范围内，实现了变换器电压的稳定，并且提高了变换器的工作效率。

Description

一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及半桥LLC谐振变换器的控制技术领域，特别是一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统及控制方法。

背景技术

21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。

开关变换器发展迅猛，对开关电源的输出功率和输出电压也提出了更高要求。例如，32～52in的液晶电视机(LCD TV)所需开关电源的功率范围已达到120～300W。而56in以上液晶电视机的电源功率可超过350W。由于单端反激式开关电源的输出功率一般不超过70W，双端反激式开关电源的输出功率一般为120～180W，都无法满足上述要求。半桥LLC谐振变换器具有输出功率大(150～180W)、所需元器件数量少、高性价比、高效率(可达99％)、输出电压稳定等优点，是制作大屏幕及超大屏幕液晶电视开关电源的最佳选择。半桥LLC谐振变换器还适用于PC电源、LED路灯、通信电源系统、工业、医疗设备等领域。半桥LLC谐振变换器集成电路的典型产品有PI公司生产的PLC810PG、ST公司的L6599、安森美公司生产的NCP1395和NCP1396。利用PI Expert8.5软件，可完成PLC810PG的设计工作，包括根据用户自定义的输出负载和额定开关频率，自动选择串联及并联谐振元件值；确保在所有负载条件下实现零电压开关(ZVS)；自动计算PFC和LLC主要功率器件的损耗、并以图形方式显示所设计的开关频率、输出功率及输出电压等。

目前大屏幕及超大屏幕液晶电视机产业正获得迅速发展。20世纪五十年代初，自激推挽式晶体管单变压器直流变换器、自激推挽式双变压器的发明和使用，以及六十年代中期无工频变压器式开关电源设计方案的提出，实现了开关变换器对高频转换的控制功能，推动了开关变换器的发展；20世纪八九十年代，随着脉冲宽度调(PWM)控制器以及单片机开关电源的出现和使用，开关电源得到了日益普及和推广。与此同时，开关电源正向着电压稳定、安全高效、节能环保的方向发展，即要求对开关变换器进行有效的闭环控制。

但是，如今市场中的开关变换器存在许多问题，主要表现在：谐振槽路内谐振参数设计复杂、变压器漏感需妥善处理、常规变频PFM控制的空载时谐振槽路内电流大，损耗严重、短路保护等较难以解决、变换器动态响应缓慢和控制电路成本高、输出效率低、输出电压不稳定等问题。为解决以上问题，设计一套可靠稳定的开关变换器的闭环控制系统十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统及控制方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统，包括：依次相连的电路输入电源、开关模块、谐振网络模块、变压器、整流滤波模块以及负载；所述负载连接至PID控制系统；所述PID控制系统与一VCO相连；所述VCO与所述开关模块相连；所述主电路输入电源为直流电源，通过所述开关模块转换为方波，并作为谐振回路的输入；所述开关模块包括两个互补导通的开关管，组成半桥结构；所述谐振网络模块包括一谐振电感和一谐振电容，为半桥LLC谐振变换器提供了两个谐振频率，分别为串联谐振频率和并联谐振频率；所述变压器为高频变压器，其一次侧与所述谐振网络模块相连接；所述整流滤波模块与所述变压器的二次侧相连，且所述整流滤波模块包括由两个二极管组成带有中心变压器的全波整流电路和若干滤波电容组成的滤波电路；所述变压器输出电压经过所述整流滤波模块后，再供给所述负载使用，并将输出电压信号传送至所述PID控制系统；所述PID控制系统用于传送电压信号给所述VCO，所述VCO根据该电压信号控制所述开关模块。

在本发明一实施例中，所述PID控制系统经分压模块与所述负载相连，且还与一基准电压模块相连；所述输出电压信号经过所述分压模块后，作为所述PID控制系统的电压采样值；所述PID控制系统通过所述基准电压模块提供的基准电压值与所述电压采样值计算用于LLC谐振变换器PID调节的输入误差。

在本发明一实施例中，所述VCO经一驱动电路与所述开关模块相连，且还与一反相器相连；所述VCO接收从所述PID控制系统反馈的电压信号后，与所述反相器共同作用，输出占空比为50％、相位相差180°的两路方波信号；再经过所述驱动电路，控制两个开关管交替的导通和关断。

进一步的，还提供一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统的控制方法，所述PID控制系统与VCO相连接，构成半桥LLC谐振变换器的控制环路；所述VCO接收反馈而来的电压信号，采用固定死区的互补调频工作方式，来调节开关管的工作频率，通过改变开关管的工作频率，来调节变压器的能量输出，进而改变半桥LLC谐振变换器的输出电压值。

在本发明一实施例中，通过所述PID控制系统预设PID调节参数，包括比例系数、积分时间常数和微分时间常数。

在本发明一实施例中，所述半桥LLC谐振变换器的控制环路的闭环控制系统的工作方式如下：

当所述PID控制系统接收到不稳定的输出电压信号时，

所述PID控制系统接收到所述负载提供的升高的输出电压信号后，通过所述分压模块获取电压采样值；并根据所述电压采样值与所述基准电压模块提供的基准电压的偏差，向所述VCO发送电压信号，改变所述VCO的输入电压，从而降低所述VCO输出波形的频率；由所述VCO输出电信号，经过所述驱动电路调节降低开关管的工作频率，减小半桥LLC谐振变换器的电压增益，进而降低半桥LLC谐振变换器的输出电压；同时，所述PID控制系统接收下一时刻所述负载提供的输出电压信号，再向所述VCO发送实时的电压信号，以此构成的负反馈来实现调频调压，使输出电压达到稳定；

所述PID控制系统接收到所述负载提供的降低的输出电压信号后，通过所述分压模块获取电压采样值；并根据电压采样值与所述基准电压模块提供的基准电压的偏差，向所述VCO发送电压信号，改变所述VCO的输入电压，从而升高所述VCO输出波形的频率；由所述VCO输出电信号，经过所述驱动电路调节升高开关管的工作频率，增大半桥LLC谐振变换器的电压增益，进而升高半桥LLC谐振变换器的输出电压；同时，所述PID控制系统接收下一时刻所述负载提供的输出电压信号，再向所述VCO发送实时的电压信号，以此构成的负反馈来实现调频调压，使输出电压达到稳定；

当所述PID控制系统接收到稳定的输出电压时，所述VCO输出波形频率不变，从而开关管的工作频率不变，保证输出电压稳定不变。

在本发明一实施例中，所述半桥LLC谐振变换器的电压增益：

其中，

为串联谐振频率；

为并联谐振频率；

为品质因数；

为电感系数；

为归一化频率；

C_r为谐振电容，L_r为谐振电感，L_m为变压器的励磁电感，n为变压器的匝比，R_L为负载电阻，f为开关管的工作频率。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)该系统能够对实现对变换器的调压作用，并且通过比例-积分-微分(PID)控制系统和VCO实现闭环控制。本设计涉及的闭环控制系统PID控制系统，具有原理简单、适应性和鲁棒性强、对模型的依赖少，便于使用等优点。

(2)PID控制系统在接收到负载端输出电压升高或者降低的信号后，向VCO发送电压信号，改变VCO的输入电压；VCO根据PID控制系统反馈而来的电压信号输出相应的电信号，再经过驱动电路调节开关管的工作频率，进而改变变换器的输出电压，使变换器的输出电压达到稳定；

(3)PID控制系统和VCO的共同作用，使开关管工作在合理的频率范围内，实现了开关管的零电压开通和输出整流二极管的零电流关断，提高了变换器的工作效率。

附图说明

图1为本发明中半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统的原理图。

图2为本发明一实施例中半桥LLC谐振变换器的电路图。

图3为本发明一实施例中半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统的电路图。

图4为本发明一实施例中开关管两端的电压波形图。

图5为本发明一实施例中全波整流电路中输出整流二极管的电流波形图。

图6为本发明一实施例中输出电压信号的波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统，如图1所示，包含主电路输入电源(直流电源)11，开关模块12，谐振网络模块13，变压器14，整流滤波电路模块15，负载16，分压模块21，PID控制系统31，VCO 32，驱动电路模块22，基准电压模块41，反相器42。

进一步的，在本实施例中，如图2～3所示，主电路输入电源11为直流电源，并通过所述开关模块12转换为方波，作为谐振回路的输入；所述开关模块12由两个互补导通的开关管构成，组成半桥结构；所述谐振网络模块13由谐振电感和谐振电容组成，并由此定义了半桥LLC谐振变换器的两个谐振频率，分别为串联谐振频率和并联谐振频率；所述变压器14为高频变压器，其一次侧与所述谐振网络模块相连接；所述整流滤波电路模块N在所述变压器二次侧，由两个二极管组成带有中心变压器的全波整流电路和若干滤波电容组成的滤波电路构成；所述变压器输出电压经过所述整流滤波电路模块15后，再供给所述负载16使用，并将输出电压信号传送至所述PID控制系统31。

进一步的，在本实施例中，PID控制系统31与VCO32相连接，构成半桥LLC谐振变换器的控制环路；所述PID控制系统31用于传送电压信号给所述VCO32；所述VCO32接收反馈而来的电压信号，采用固定死区的互补调频工作方式，来调节开关管的工作频率，通过改变开关管的工作频率，来调节变压器的能量输出，进而改变变换器的输出电压值；开关管的工作频率取决于对所述控制环路的输出功率的需求；当所述控制环路的输出功率较低时，开关管的工作频率可相当高；当所述控制环路的输出功率较高时，控制环路会自动降低开关管的工作频率。由于开关管工作在合理的频率范围内，实现了开关管的零电压开通和输出整流二极管的零电流关断，提高了变换器的工作效率。

进一步的，在本实施例中，本实施例中，PID控制系统31还连接有基准电压模块41和分压模块21；输出电压经过所述分压模块21后，作为PID控制系统31的电压采样测量值；输出电压给定值与电压采样值确定了PID控制系统31的输入误差；根据所述输入误差，完成LLC谐振变换器的PID调节。

进一步的，在本实施例中，VCO 32还连接有反相器42和驱动电路模块22；VCO 32接收从PID控制系统31反馈而来的电压信号后，与所述反相器42共同作用，输出占空比为50％、相位相差180°的两路方波信号；再经过所述驱动电路模块22，使两个开关管交替的导通和关断。

进一步的，在本实施例中，PID控制系统31的内部设定有PID调节参数，包括比例系数、积分时间常数和微分时间常数；当PID控制系统31接收到负载端输出电压降低的信号时，或者PID控制系统31接收到负载端输出电压升高的信号时，PID控制系统31存在输入误差；PID控制系统31开始工作，调节输出电压，使输出电压达到稳定。

进一步的，在本实施例中，所述半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统的具体工作方式如下，

当PID控制系统接收到不稳定的输出电压信号时，

PID控制系统接收到负载端输出电压升高的信号后，根据电压采样值与基准电压的偏差大小，向VCO 32发送电压信号，改变VCO 32的输入电压，从而降低VCO 32输出波形的频率；由VCO 32输出的电信号再经过驱动电路调节降低开关管的工作频率，减小变换器的电压增益，进而降低变换器的输出电压，同时，PID控制系统31接收下一时刻的负载输出电压信号，再向VCO32发送实时的电压信号，以此构成的负反馈来实现调频调压，最终使输出电压达到稳定；

PID控制系统31接收到负载端输出电压降低的信号后，根据电压采样值与基准电压的偏差大小，向VCO32发送电压信号，改变VCO32的输入电压，从而升高VCO32输出波形的频率；由VCO32输出的电信号再经过驱动电路调节升高开关管的工作频率，增大变换器的电压增益，进而升高变换器的输出电压，同时，PID控制系统31接收下一时刻的负载输出电压信号，再向VCO 32发送实时的电压信号，以此构成的负反馈来实现调频调压，最终使输出电压达到稳定；

当PID控制系统31接收到稳定的输出电压时，VCO32输出波形频率不变，从而开关的工作频率不变，保证了输出电压稳定不变。

进一步的，在本实施例中，半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统，有电压增益(归一化电压增益)：

其中，

为串联谐振频率；

为并联谐振频率；

为品质因数；

为电感系数；

为归一化频率；

公式中，C_r为谐振电容、L_r为谐振电感、L_m为T₁的励磁电感、n为高频变压器的匝比、R_L为负载电阻，f为开关管的工作频率。

进一步的，如图4～6所示，通过VCO调节开关管的工作频率f。当输出电压V₀升高时，f↓→G↓→V₀↓，最终使V₀达到稳定。反之，当输出电压V₀降低时，f↑→G↑→V₀↑，同样也能使V₀趋于稳定。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统，其特征在于，包括：依次相连的电路输入电源、开关模块、谐振网络模块、变压器、整流滤波模块以及负载；所述负载连接至PID控制系统；所述PID控制系统与一VCO相连；所述VCO与所述开关模块相连；所述主电路输入电源为直流电源，通过所述开关模块转换为方波，并作为谐振回路的输入；所述开关模块包括两个互补导通的开关管，组成半桥结构；所述谐振网络模块包括一谐振电感和一谐振电容，为半桥LLC谐振变换器提供了两个谐振频率，分别为串联谐振频率和并联谐振频率；所述变压器为高频变压器，其一次侧与所述谐振网络模块相连接；所述整流滤波模块与所述变压器的二次侧相连，且所述整流滤波模块包括由两个二极管组成带有中心变压器的全波整流电路和若干滤波电容组成的滤波电路；所述变压器输出电压经过所述整流滤波模块后，再供给所述负载使用，并将输出电压信号传送至所述PID控制系统；所述PID控制系统用于传送电压信号给所述VCO，所述VCO根据该电压信号控制所述开关模块。

2.根据权利要求1所述的一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统，其特征在于，所述PID控制系统经分压模块与所述负载相连，且还与一基准电压模块相连；所述输出电压信号经过所述分压模块后，作为所述PID控制系统的电压采样值；所述PID控制系统通过所述基准电压模块提供的基准电压值与所述电压采样值计算用于LLC谐振变换器PID调节的输入误差。

3.根据权利要求2所述的一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统，其特征在于，所述VCO经一驱动电路与所述开关模块相连，且还与一反相器相连；所述VCO接收从所述PID控制系统反馈的电压信号后，与所述反相器共同作用，输出占空比为50％、相位相差180°的两路方波信号；再经过所述驱动电路，控制两个开关管交替的导通和关断。

4.一种基于权利要求3所述的一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统的控制方法，其特征在于，所述PID控制系统与VCO相连接，构成半桥LLC谐振变换器的控制环路；所述VCO接收反馈而来的电压信号，采用固定死区的互补调频工作方式，来调节开关管的工作频率，通过改变开关管的工作频率，来调节变压器的能量输出，进而改变半桥LLC谐振变换器的输出电压值。

5.根据权利要求4所述的一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统的控制方法，其特征在于：通过所述PID控制系统预设PID调节参数，包括比例系数、积分时间常数和微分时间常数。

6.根据权利要求4所述的一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统的控制方法，其特征在于，所述半桥LLC谐振变换器的控制环路的闭环控制系统的工作方式如下：

当所述PID控制系统接收到不稳定的输出电压信号时，

所述PID控制系统接收到所述负载提供的升高的输出电压信号后，通过所述分压模块获取电压采样值；并根据所述电压采样值与所述基准电压模块提供的基准电压的偏差，向所述VCO发送电压信号，改变所述VCO的输入电压，从而降低所述VCO输出波形的频率；由所述VCO输出电信号，经过所述驱动电路调节降低开关管的工作频率，减小半桥LLC谐振变换器的电压增益，进而降低半桥LLC谐振变换器的输出电压；同时，所述PID控制系统接收下一时刻所述负载提供的输出电压信号，再向所述VCO发送实时的电压信号，以此构成的负反馈来实现调频调压，使输出电压达到稳定；

所述PID控制系统接收到所述负载提供的降低的输出电压信号后，通过所述分压模块获取电压采样值；并根据电压采样值与所述基准电压模块提供的基准电压的偏差，向所述VCO发送电压信号，改变所述VCO的输入电压，从而升高所述VCO输出波形的频率；由所述VCO输出电信号，经过所述驱动电路调节升高开关管的工作频率，增大半桥LLC谐振变换器的电压增益，进而升高半桥LLC谐振变换器的输出电压；同时，所述PID控制系统接收下一时刻所述负载提供的输出电压信号，再向所述VCO发送实时的电压信号，以此构成的负反馈来实现调频调压，使输出电压达到稳定；

当所述PID控制系统接收到稳定的输出电压时，所述VCO输出波形频率不变，从而开关管的工作频率不变，保证输出电压稳定不变。

7.根据权利要求6所述的一种半桥LLC谐振变换器的闭环控制系统的控制方法，其特征在于，所述半桥LLC谐振变换器的电压增益：

$G=\frac{1}{\sqrt{{\[1+\frac{1}{k}(1-\frac{1}{{f_n}^2})\]}^2+Q^2{(f_n-\frac{1}{f_n})}^2}}$

其中，

为串联谐振频率；

为并联谐振频率；

为品质因数；

为电感系数；

为归一化频率；

C_r为谐振电容，L_r为谐振电感，L_m为变压器的励磁电感，n为变压器的匝比，R_L为负载电阻，f为开关管的工作频率。