CN109980941B - Lcc谐振的dcdc变换器的开关控制单元及变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元，所述开关控制单元由所述DCDC变换器的直流输出端取得其直流输出电压，并由所述DCDC变换器的谐振回路上取得其谐振电流，将所述直流输出电压与参考电压运算而得到误差电压，并将所述谐振电流转换为电压与所述误差电压比较，进而产生控制该DCDC变换器的开关管的开关控制信号来控制该DCDC变换器的开关管。本发明还涉及一种DCDC变换器。实施本发明的LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元及变换器，具有以下有益效果：DCDC变换器输出电压瞬态调节时间短，超调量小，输入瞬态响应特性好。

Description

LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元及变换器
技术领域
本发明涉及电力电子学领域，更具体地说，涉及一种LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元及变换器。
背景技术
近年来，电力电子技术飞速发展，开关电源技术作为电力电子的重要领域逐渐成为应用和研究的热点。开关变换器以其高效率、高功率密度逐渐确立了其在开关电源领域的主流地位。随着业界标准的不断发展和提高，高频化、模块化、数字化成为开关电源的主要发展趋势。为适应发展趋势的需要，对开关电源装置体积、重量的要求不断提高，谐振变换器因其高功率密度、高工作效率、低EMI干扰与零电流/零电压开关特性等得到了广泛的重视和应用。谐振变换器主要分为串联谐振变换器、并联谐振变换器和串并联谐振变换器三种，其中串联谐振变换器空载时输出电压不易稳定，并联谐振变换器轻载效率低，LCC谐振的DC-DC变换器作为三元件串并联谐振变换器的一种在综合以上两者优点的同时克服相应的缺点，是一种具有良好前景的DC-DC变换器。
传统LCC谐振DC-DC变换器可分为变频调制与定频调制两类。变频调制通过改变开关管的工作频率达到调整输出电压的目的。变频LCC谐振DC-DC变换器具有较宽的软开关范围，但变换器中磁性元件利用率较低；定频调制通过调节移相角实现输出电压稳定。定频LCC谐振DC-DC变换器能够提高磁性元件的利用率，但存在电流电压应力大、软开关范围窄的问题。一般考虑控制电路的实现复杂度，LCC谐振DC-DC变换器广泛采用变频调制。传统LCC谐振DC-DC变换器采用电压型控制策略，其控制电路由单电压环组成，开关管的导通与关断仅与输出电压和基准电压经过误差补偿器产生的控制信号有关，其瞬态响应速度较慢，超调量较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述的瞬态响应速度较慢、超调量大的缺陷，提供一种瞬态响应速度较块、超调量小的LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元及变换器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元，所述开关控制单元由所述DCDC变换器的直流输出端取得其直流输出电压，并由所述DCDC变换器的谐振回路上取得其谐振电流，将所述直流输出电压与参考电压运算而得到误差电压，并将所述谐振电流转换为电压与所述误差电压比较，进而产生控制该DCDC变换器的开关管的开关控制信号来控制该DCDC变换器的开关管。
更进一步地，所述开关控制单元包括误差电压取得模块、谐振电压取得模块和控制信号产生模块；
其中，所述误差电压取得模块通过对该DCDC变换器的直流输出电压和参考电压进行运算，得到直流误差电压；
所述谐振电压取得模块采集所述DCDC变换器的谐振电流，使其对第一电容进行充电，得到谐振充电电压，并通过受控开关输出所述谐振充电电压；
所述控制信号产生模块通过比较所述直流误差电压和所述谐振充电电压得到脉冲控制信号，并将所述脉冲控制信号进行设定的变换而得到多个分别控制所述DCDC变换器的开关管和所述受控开关的开关控制信号，输出到所述DCDC变换器的开关管和所述受控开关的控制端。
更进一步地，所述谐振电压取得模块包括串接在所述DCDC变换器谐振回路上的互感器、与所述互感器的输出连接的整流电路、并接在所述整流电路上的第一电容和并接在所述第一电容两端的受控开关；所述第一电容一端与所述控制信号产生模块连接。
更进一步地，所述互感器包括感应变压器，所述感应变压器的初级线圈串接在所述DCDC变换器谐振电容和谐振电感之间，其次级线圈的两端分别与整流电路连接，所述整流电路包括采用桥式连接的二极管；所述受控开关包括MOS管。
更进一步地，所述误差电压取得模块包括误差电压放大器，所述误差电压放大器取得所述直流输出电压和参考电压之间的差，并将其放大，得到直流误差电压，其中，所述误差放大器包括运算放大器，所述运算放大器的负输入端输入所述直流输出电压，其正输入端输入设定的参考电压，其输出端与所述控制信号产生模块连接。
更进一步地，所述控制信号产生模块包括比较器、D触发器、第一驱动电路、第二驱动电路、逻辑运算电路和第三驱动电路；所述比较器的两个输入端分别输入所述直流误差电压和所述谐振充电电压，其输出端输出脉冲控制信号并连接到所述D触发器的输入端；所述D触发器的同相输出端与所述第一驱动电路连接，其输出端输出的开关控制信号分别连接在所述DCDC变换器的桥式开关电路的一个对角的开关管控制端上；所述D触发器的反相输出端与所述第二驱动电路连接，其输出端输出的开关控制信号分别连接在所述DCDC变换器的桥式开关电路的另一个对角的开关管控制端上；所述逻辑运算电路将所述第一驱动电路和第二驱动电路的输出进行指定的逻辑运算，得到所述受控开关的控制信号，并经过所述第三驱动电路输出到所述受控开关的控制端。
更进一步地，所述逻辑运算电路包括或非门，所述或非门的两个输入端分别与所述第一驱动电路和第二驱动电路的输出端连接，所述或非门的输出端与所述第三驱动电路的输入端连接。
更进一步地，所述比较器的正输入端与谐振电压取得模块的输出端连接，所述比较器的负输入端与所述误差电压取得模块的输出端连接。
更进一步地，所述误差电压放大器还包括用于修正其输出电压大小的补偿电路。
本发明还涉及一种LCC谐振的DCDC变换器，该变换器包括开关控制单元，所述控制单元是上述任何一项所涉及的开关控制单元。
实施本发明的LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元及变换器，具有以下有益效果：由于开关控制单元中并不仅仅是通过直流输出电压与参考电压的对比来确定开关控制信号，换句话说，并不仅仅靠误差电压来决定开关状态；相反，在本实施例中，除了上述误差电压外，还引入了谐振回路的谐振电流，将上述谐振电流转换为电压形式参与到上述产生开关控制信号的过程中，使得开关控制信号不仅仅决定于误差信号，还与上述谐振电流相关。因此，相对于传统电压型LCC谐振DC-DC变换器，采用本发明的开关控制单元，在宽输入电压范围变化时，LCC谐振DC-DC变换器输出电压瞬态调节时间短，超调量小，输入瞬态响应特性好。同时，相对于传统定频调制LCC谐振DC-DC变换器，采用本发明的LCC谐振DC-DC变换器能够在宽输入电压与宽输出负载范围内均实现开关管的零电压软开关运行。
附图说明
图1是本发明LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元及变换器实施例中该开关控制单元的结构示意图；
图2是所述实施例中开关控制单元的电路图；
图3是图2中电路的控制波形图；
图4是所述实施例中电路在高电压输入、重负载输出情况下的波形图；
图5是现有的LCC谐振的DCDC变换器在输入电压突变时的输出电压波形图；
图6是所述实施例中电路在输入电压突变时的输出电压波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。
如图1所示，在本发明的一种LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元及变换器实施例中，所述开关控制单元由所述DCDC变换器的直流输出端取得其直流输出电压，并由所述DCDC变换器的谐振回路上取得其谐振电流，将所述直流输出电压与参考电压运算而得到误差电压，并将所述谐振电流转换为电压与所述误差电压比较，进而产生控制该DCDC变换器的开关管的开关控制信号来控制该DCDC变换器的开关管。实际上，从开关控制单元单元的角度来讲，在本实施例中，一个明显不同于现有技术的特征是增加了由谐振回路上取得谐振电流的一路输入，对该路输入进行处理以及将该路输入的电参量用于产生开关控制信号的部分。这些部分在现有技术中是不存在的。由于增加了该路输入的电参量，使得产生的开关控制信号更能体现当前DCDC变换器的状态，从而使得其输出更稳定。
图2示出了本实施例中上述开关控制单元的具体结构，在图2中，所述开关控制单元包括误差电压取得模块100、谐振电压取得模块200和控制信号产生模块300；其中，所述误差电压取得模块100通过对该DCDC变换器的直流输出电压和参考电压进行运算，得到直流误差电压；所述谐振电压取得模块200采集所述DCDC变换器的谐振电流，使其对第一电容ct进行充电，得到谐振充电电压vt，并通过受控开关输出所述谐振充电电压vt；所述控制信号产生模块300通过比较所述直流误差电压和所述谐振充电电压vt得到脉冲控制信号，并将所述脉冲控制信号进行设定的变换而得到多个分别控制所述DCDC变换器的开关管和所述受控开关的开关控制信号，输出到所述DCDC变换器的开关管和所述受控开关的控制端。
如图2所示，在本实施例中，所述谐振电压取得模块200包括串接在所述DCDC变换器谐振回路上的互感器201、与所述互感器201的输出连接的整流电路202、并接在所述整流电路202上的第一电容ct和并接在所述第一电容ct两端的受控开关Q5；所述第一电容ct的一端与所述控制信号产生模块连接。在本实施例中，所述互感器201包括感应变压器，所述感应变压器的初级线圈串接在所述DCDC变换器谐振电容和谐振电感之间，其次级线圈的两端分别与整流电路202连接，所述整流电路202包括采用桥式连接的四个二极管；所述受控开关Q5包括MOS管，该MOS管的源极和漏极分别并接在上述第一电容的两端，其栅极连接控制信号产生模块产生的一个控制信号。
而误差电压取得模块100包括误差电压放大器102，所述误差电压放大器102取得所述直流输出电压和参考电压之间的差，并将其放大，得到直流误差电压，其中，所述比较器的正输入端与谐振电压取得模块的输出端连接，所述比较器的负输入端与所述误差电压取得模块的输出端连接。所述误差电压放大器102包括运算放大器，所述运算放大器的负输入端输入所述直流输出电压，其正输入端输入设定的参考电压，其输出端与所述控制信号产生模块300连接。所述误差电压放大器102还连接用于修正其输出电压大小的补偿网络101。
所述控制信号产生模块300包括比较器301、D触发器302、第一驱动电路、第二驱动电路、逻辑运算电路305和第三驱动电路306；所述比较器301的两个输入端分别输入所述直流误差电压和所述谐振充电电压，其输出端输出脉冲控制信号并连接到所述D触发器302的输入端；所述D触发器302的同相输出端与所述第一驱动电路连接，其输出端输出的开关控制信号分别连接在所述DCDC变换器的桥式开关电路的一个对角的开关管控制端上；所述D触发器302的反相输出端与所述第二驱动电路连接，其输出端输出的开关控制信号分别连接在所述DCDC变换器的桥式开关电路的另一个对角的开关管控制端上；所述逻辑运算电路305将所述第一驱动电路和第二驱动电路的输出进行指定的逻辑运算，得到所述受控开关的控制信号，并经过所述第三驱动电路306输出到所述受控开关的控制端。具体地，所述逻辑运算电路包括或非门，所述或非门的两个输入端分别与所述第一驱动电路和第二驱动电路的输出端连接，所述或非门的输出端与所述第三驱动电路306的输入端连接。
换句话说，在图2中，误差电压取得模块100由误差放大器102、基准电压源及跨接于误差放大器102负端与输出端的补偿网络101构成；谐振电压取得模块200由电流互感器201、整流桥202、充电电容(即第一电容)及并联在充电电容两端控制其充放电的开关管Q5构成；控制信号产生模块300由比较器301、D触发器302、第一驱动电路、第二驱动电路、逻辑运算电路(或非门)305及第三驱动电路306组成，逻辑运算电路305分别与第一驱动电路和第二驱动电路连接。
误差放大器102的正向输入端连接至基准电压源电压Vref，采样输出电压信号vout与基准电压源电压Vref经误差放大后产生误差信号vc。采样的谐振电流ir输入谐振电压取得模块200，经过电流互感器201和整流桥202为第一电容充电，并输出充电电压信号vt。控制信号产生模块300中比较器301接收误差电压取得模块100的输出信号vc和谐振电压取得模块200的输出信号vt，并进行比较输出脉冲控制信号vp，脉冲控制信号vp作为D触发器的时钟输入信号，D触发器反向输出端与输入端相连。当vt上升至误差控制信号vc时，脉冲控制信号由低电平变为高电平，其上升沿被D触发器302捕获，正向输出端输出高电平。D触发器正向输出信号经过第一驱动电路和第二驱动电路生成开关管控制信号vg1、vg4和vg2、vg3；输出的驱动信号经或非门305和第三驱动电路306产生开关管S5驱动信号vg5。
在本实施例中，图2中的电路工作过程如下：
采样输出电压vout送入误差电压取得模块100，误差电压取得模块100通过将vout与内部基准电压Vref进行误差放大，输出误差信号vc至控制信号产生模块300；采样谐振电流ir送入谐振电压取得模块200，经过电流互感器和整流桥整流后对电容进行充电，谐振电压取得模块200输出第一电容充电电压vt至开控制信号产生模块300；控制信号产生模块300根据电压反馈电路输出的误差控制信号vc和电流反馈电路输出的电容电压信号vt产生LCC谐振DC-DC变换器的开关管驱动信号vg1-vg5。
图3为图2所示电路主要控制波形图。从波形图可以得知，在一个开关周期内，开关管驱动信号vg1、vg4和vg2、vg3互补导通。在开关周期起始时刻，开关管S2、S3导通，谐振电流ir为电容充电，当电容充电电压vt上升至误差信号vc时产生一段脉冲信号，开关管S2、S3关断，电容两端并联开关管S5导通，电容开始放电，此阶段中开关管S1-S4均关断。当开关管S5关断时，电容再次开始充电，开关管S1、S4导通，当电容充电电压vt上升至误差信号vc时产生一段脉冲信号，开关管S1、S4关断，电容两端并联开关管S5导通，电容开始放电，此阶段中开关管S1-S4均关断，当开关管再次S5关断时变换器进入下个开关周期。
图4是利用PSIM仿真软件得到的仿真波形。从图4可以看出本发明提出的控制方法实现了变换器的输出稳压功能，且开关管均工作于零电压软开关状态；在开关管S2和S3关断、S1和S4导通过程中，LCC谐振DC-DC变换器电压vAB由0上升至Vin，此时电路谐振电流ir小于0，由于开关管S2、S3和S1、S4动作过程中存在死区，开关管S1和S4的体二极管将先于开关管S1和S4导通，因此开关管S1和S4工作于零电压导通状态；在开关管S1和S4关断、S2和S3导通过程中，LCC谐振DC-DC变换器电压vAB由Vin下降至-Vin，此时电路谐振电流ir大于0，由于开关管S1、S4和S2、S3动作过程中存在死区，开关管S2和S3的体二极管将先于开关管S2和S3导通，因此开关管S2和S3工作于零电压导通状态。在图4的基础上，降低输入电压、降低输出功率或同时降低输入电压与输出功率得到的仿真波形也和图4中的波形大致相同。也就是说，本发明提出的控制方法在宽输入电压范围和宽输出功率范围内实现了输出稳压功能，并保持了开关管的零电压软开关运行状态。
图5和图6分别是采用传统电压型控制和本发明的LCC谐振DC-DC变换器在输入电压突变时输出电压的时域仿真波形图。在图5和图6中，在0.02ms时输入电压由100V阶跃变化至200V，采用传统电压型控制LCC谐振DC-DC变换器经过约2.51ms后才能进入新的稳态，输出电压超调量为5.13V；采用本发明的LCC谐振DC-DC变换器可迅速进入稳态，调整时间为0.65ms，输出电压超调量仅为0.63V。可见本发明具有很好的输入瞬态性能。
本发明还涉及一种LCC谐振的DCDC变换器，该变换器包括开关控制单元，所述控制单元是上述开关控制单元。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元，其特征在于，所述开关控制单元由所述DCDC变换器的直流输出端取得其直流输出电压，并由所述DCDC变换器的谐振回路上取得其谐振电流，将所述直流输出电压与参考电压运算而得到误差电压，并将所述谐振电流转换为电压与所述误差电压比较，进而产生控制该DCDC变换器的开关管的开关控制信号来控制该DCDC变换器的开关管；
所述开关控制单元包括误差电压取得模块、谐振电压取得模块和控制信号产生模块；
其中，所述误差电压取得模块通过对该DCDC变换器的直流输出电压和参考电压进行运算，得到直流误差电压；
所述谐振电压取得模块采集所述DCDC变换器的谐振电流，使其对第一电容进行充电，得到谐振充电电压，并通过受控开关输出所述谐振充电电压；
所述控制信号产生模块通过比较所述直流误差电压和所述谐振充电电压得到脉冲控制信号，并将所述脉冲控制信号进行设定的变换而得到多个分别控制所述DCDC变换器的开关管和所述受控开关的开关控制信号，输出到所述DCDC变换器的开关管和所述受控开关的控制端；所述脉冲控制信号进行设定的变换包括将所述脉冲控制信号作为D触发器的时钟信号，将所述D触发器的反向输出端的输出信号作为所述D触发器的输入信号，并在所述D触发器的正向输出端和反向输出端分别取得所述DCDC变换器的开关管的开关控制信号。
2.根据权利要求1所述的LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元，其特征在于，所述谐振电压取得模块包括串接在所述DCDC变换器谐振回路上的互感器、与所述互感器的输出连接的整流电路、并接在所述整流电路上的第一电容和并接在所述第一电容两端的受控开关；所述第一电容一端与所述控制信号产生模块连接。
3.根据权利要求2所述的LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元，其特征在于，所述互感器包括感应变压器，所述感应变压器的初级线圈串接在所述DCDC变换器谐振电容和谐振电感之间，其次级线圈的两端分别与整流电路连接，所述整流电路包括采用桥式连接的二极管；所述受控开关包括MOS管。
4.根据权利要求3所述的LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元，其特征在于，所述误差电压取得模块包括误差电压放大器，所述误差电压放大器取得所述直流输出电压和参考电压之间的差，并将其放大，得到直流误差电压，其中，所述误差电压放大器包括运算放大器，所述运算放大器的负输入端输入所述直流输出电压，其正输入端输入设定的参考电压，其输出端与所述控制信号产生模块连接。
5.根据权利要求4所述的LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元，其特征在于，所述控制信号产生模块包括比较器、D触发器、第一驱动电路、第二驱动电路、逻辑运算电路和第三驱动电路；所述比较器的两个输入端分别输入所述直流误差电压和所述谐振充电电压，其输出端输出脉冲控制信号并连接到所述D触发器的输入端；所述D触发器的同相输出端与所述第一驱动电路连接，其输出端输出的开关控制信号分别连接在所述DCDC变换器的桥式开关电路的一个对角的开关管控制端上；所述D触发器的反相输出端与所述第二驱动电路连接，其输出端输出的开关控制信号分别连接在所述DCDC变换器的桥式开关电路的另一个对角的开关管控制端上；所述逻辑运算电路将所述第一驱动电路和第二驱动电路的输出进行指定的逻辑运算，得到所述受控开关的控制信号，并经过所述第三驱动电路输出到所述受控开关的控制端。
6.根据权利要求5所述的LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元，其特征在于，所述逻辑运算电路包括或非门，所述或非门的两个输入端分别与所述第一驱动电路和第二驱动电路的输出端连接，所述或非门的输出端与所述第三驱动电路的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元，其特征在于，所述比较器的正输入端与谐振电压取得模块的输出端连接，所述比较器的负输入端与所述误差电压取得模块的输出端连接。
8.根据权利要求7所述的LCC谐振的DCDC变换器的开关控制单元，其特征在于，所述误差电压放大器还包括用于修正其输出电压大小的补偿电路。
9.一种LCC谐振的DCDC变换器，其特征在于，所述DCDC变换器包括如权利要求1-8任意一项所述的开关控制单元。
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