CN111030464A - 一种功率变换器双向llc电路的控制方法 - Google Patents

一种功率变换器双向llc电路的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率变换器双向LLC电路的控制方法,双向LLC电路包括第一H桥电路、第二H桥电路和变压器,第一H桥电路和第二H桥电路分别与变压器两侧的绕组相连;双向LLC电路正向工作时,第一H桥电路为输入侧,第二H桥电路为整流侧;双向LLC电路反向工作时,第二H桥电路为输入侧,第一H桥电路为整流侧,控制方法包括在传输增益大于1的范围内进行调节:输入侧的开关管工作在固定开关频率和固定在50%开关占空比的模式下,整流侧两个半桥的开关管工作在移相控制模式下,实现交替Boost升压,通过调节移相值调节Boost升压比,以实现双向LLC电路增益大于1。本发明不需要单独增加器件,通过软件调制方法,就可以满足双向变换器双向工作在较宽的增益范围。

Description

一种功率变换器双向LLC电路的控制方法
[技术领域]
本发明涉及功率变换器双向LLC电路,尤其涉及一种功率变换器双向LLC电路的控制方法。
[背景技术]
双向功率变换器可以将电动汽车直流能量与交流电网双向流动、可以将电动汽车直流能量与微电网双向互动、可以将电动汽车直流能量与储能站双向流动,还可以将电动汽车直流能量逆变给家用电器供电。
现有技术的双向LLC电路的组成如图1所示。该LLC电路包括两个分别由4个MOS管组成的H桥电路11、H桥电路12和高频变压器14。H桥电路11的直流侧电压为V1,H桥电路11通过LC谐振元件13相与高频变压器14的一侧的绕组相连。高频变压器14另一侧的绕组与H桥电路12相连。H桥电路12的直流侧电压为V2。
在双向功率变换器的应用场景中,通常有一侧为动力电池,动力电池的电压范围较宽。因此需要双向功率变换器的能够工作在较宽的增益范围,以满足不同的工作条件。
LLC电路具有优良的宽范围软开关性能,通过提高开关频率,非唯心减少磁性器件体积,提高变换器功率密度。
双向全桥LLC电路在双向变换器中得到广泛的应用。有直接用双向全桥LLC电路,正向工作在LLC谐振模式,反向工作在LC谐振模式。有使用LLC电路的变形电路作为双向应用,比如CLLC电路或者CLLLC电路,能够较好的实现正向和反向工作的软开关。但是无论哪种LLC电路,为了保证良好的频率调节度,励磁电感和谐振电感的比值不能太大也不能太小。受此条件的限制,LLC电路的满载频率调节增益一般在1.1左右。在单向变换器中,可以通过调节变压器匝比增益,LLC电路增益能够满足应用场景的宽增益范围。但是在双向变换器中,若保持变压器匝比为1,变换器通过调节开关频率提供的正向和反向最大增益也是在1.1左右,很难实现更宽的增益范围。而且传统的LLC电路在反向工作,励磁电感被反向的输入电压钳位不参与谐振工作,在LC谐振模式情况下,LC谐振腔与输出端构成串联分压关系。LC谐振腔阻抗随开关频率而变化,当开关频率为谐振频率时,LC谐振腔阻抗最小,频率增益最大为1,更是使得传输增益收到限制。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种增益范围较宽的功率变换器双向LLC电路的控制方法。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是,一种功率变换器双向LLC电路的控制方法,功率变换器双向LLC电路包括第一H桥电路、第二H桥电路和变压器,第一H桥电路与变压器一侧的绕组相连,第二H桥电路与变压器另一侧的绕组相连;功率变换器双向LLC电路正向工作时,第一H桥电路为输入侧,第二H桥电路为整流侧;功率变换器双向LLC电路反向工作时,第二H桥电路为输入侧,第一H桥电路为整流侧,控制方法包括在传输增益大于1的范围内进行调节:输入侧的开关管工作在固定开关频率和固定在50%开关占空比的模式下,整流侧两个半桥的开关管工作在移相控制模式下,实现交替Boost升压,通过调节移相值调节Boost升压比,以实现双向LLC电路增益大于1。
以上所述的控制方法,功率变换器双向LLC电路包括LC谐振元件,LC谐振元件的谐振频率为fr;第一H桥电路或第二H桥电路通过LC谐振元件与变压器的绕组相连;输入侧开关管的开关频率fs>谐振频率fr,输入侧开关管的PWM占空比为50%;整流侧开关管的PWM占空比、开关频率与输入侧开关管的PWM占空比、开关频率保持一致;整流侧的移相值取值范围为0至最大移相值。
以上所述的控制方法,控制方法包括在传输增益小于1的范围内进行调节:保持输入侧开关管的PWM占空比为50%,通过调节输入侧开关管的开关频率fs来调节传输增益为1到M1,M1为当输入侧开关管PWM占空比为50%时,最大开关频率时的传输增益;输入侧开关管的开关频率fs的调节范围为谐振频率fr到输入侧开关管的最大开关频率fmax,整流侧开关管的PWM占空比、开关频率与输入侧开关管的PWM占空比、开关频率保持一致;整流侧不进行移相。
以上所述的控制方法,保持输入侧开关管的开关频率fs=fmax,通过调节输入侧开关管的有效占空比,来调节传输增益从M1到0,整流侧的开关管不进行驱动,利用其集成的体二极管进行整流。
以上所述的控制方法,有效占空比的调节方法采用直接调节输入侧开关管的PWM占空比从50%到0或通过调节输入从开关管的移相值从0到50%可通过调节输入侧开关管的PWM驱动信号进行间歇式脉冲控制。
本发明可以实现全桥LLC电路双向工作增益大于1。不需要单独增加器件,通过软件调制方法,就可以满足双向变换器双向工作在较宽的增益范围。
[附图说明]
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。
图1是现有技术双向LLC电路的电路图。
图2是本发明实施例功率变换器双向LLC电路调制与增益区间的示意图。
图3是本发明实施例双向LLC电路正向工作整流侧移相Boost升压波形图。
图4是本发明实施例双向LLC电路正向Boost储能原理图。
图5是本发明实施例双向LLC电路正向Boost释放能量原理图。
图6是本发明实施例双向LLC电路反向工作整流侧移相Boost升压波形图。
图7是是本发明实施例双向LLC电路反向Boost储能原理图。
图8是本发明实施例双向LLC电路反向Boost释放能量原理图。
[具体实施方式]
在LLC拓扑电路中,受开关器件的损耗条件限制,需要设置最高工作开关频率。在开关频率较高时其频率对增益调节已经不敏感。因此LLC电路正反向工作频率在谐振频率与最高开关频率之间时,其增益是单调的。在这个工作区间,可以固定输入侧的开关占空比为50%,通过调节输入侧开关频率来调节传输增益。
所以,本发明提出一种功率变换器双向LLC电路扩大增益范围控制方法。在正向和反向工作时,在变换器的输入侧开关管工作在固定开关频率和固定在50%开关占空比的模式下,变换器的整流侧开关管工作在移相控制模式下,实现交替Boost升压,通过调节移相值可以调节Boost升压比。以实现双向LLC电路增益大于1,满足双向变换器的宽增益范围应用。
在最高工作开关频率处,传输增益也大于0。因此为了实现最大开关频率处的传输增益到传输增益为0的这个范围,需要调节输入侧的有效占空比实现。
在LLC电路中,其占空比与传输增益关系近似为:
Figure BDA0002327434520000041
其中D为工作有效占空比。可知当占空比取值区间为0<D<Dmax<0.5时,其电压增益单调。在此工作区间可以固定开关频率为最大开关频率,调节有效占空比到0,可以调节传输增益到0。通常输入侧的有效占空比可以通过PWM占空比、输入侧的移相值、PWM间歇脉冲控制三种方式来实现。
本发明解决双向LLC电路宽增益范围所采用的技术方案是:正反向工作时,调节输入侧开关管的开关频率或者有效占空比实现传输增益小于1。正反向工作时,通过控制输入侧开关管工作在固定开关频率下,开关频率大于谐振频率,整流侧的开关频率与输入侧的开关频率相同,整流侧两个桥臂进行移相,通过改变移相值可以控制整流侧Boost升压占空比,从而实现Boost升压,传输增益大于1。
本发明实施例的电路如图1中所示的一种双向LLC电路。该LLC电路包括两个分别由4个MOS管组成的H桥电路11、H桥电路12和高频变压器14。H桥电路11的直流侧电压为V1,H桥电路11通过LC谐振元件13相与高频变压器14的一侧的绕组相连。高频变压器14另一侧的绕组与H桥电路12相连。H桥电路12的直流侧电压为V2。
当该双向LLC电路工作在正向模式下,H桥电路11和谐振元件13作为输入侧工作,H桥电路12作为整流侧工作,能量从输入侧V1流向整流侧V2。
当该双向LLC电路工作在反向模式下,H桥电路12作为输入侧工作,H桥电路11和谐振元件13作为整流侧工作,能量从输入侧V2流向整流侧V1。
在本实施例中,LC谐振元件13的参数为,Lr1=20uH,Cr1=200nF。因此谐振频率为fr=80KHz。高频变压器14的匝比为1,励磁电感感量Lm=90uH。
如图2所示,区间Ⅰ为有效占空比调节增益区间,区间Ⅱ为开关频率调节增益区间,区间Ⅲ为Boost升压调节增益区间。当双向LLC电路正反向工作在区间Ⅰ和区间Ⅱ时,其控制方法采用常用的调频和调有效占空比方式(有效占空比,即,变压器输入侧绕组的有效电平持续时间在一个开关周期时间内的占比),在传输增益小于1的范围内进行调节。
在Ⅱ区间,保持输入侧开关管的PWM占空比为50%,通过调节开关频率fs来调节传输增益为1到M1。(M1为当PWM占空比为50%时,最大开关频率时的传输增益),输入侧开关管的开关频率范围为谐振频率fr到最大开关频率fmax(fr≤fs≤fmax)。在本实施例中取fr=80KHz,fmax=300KHz。整流侧开关管频率与输入侧开关管频率保持一致,并且进行同步整流控制,不进行移相。
在Ⅰ区间,保持输入侧开关管的开关频率fs=fmax,通过调节输入侧有效占空比,来调节传输增益从M1到0。整流侧开关管不进行驱动,利用其集成的体二极管进行整流。有效占空比的调节可以采用直接调节输入侧开关管的PWM占空比从50%到0。也可以通过调节输入从开关管的移相值从0到50%,当移相值为50%时,有效占空比为0。也可以通过调节输入侧开关管的PWM进行间歇式脉冲控制,通过调节一段时间内的PWM脉冲个数,来调节该时间段内的有效占空比,(即一段时间内的脉冲时间*脉冲个数,得到该时间段的总脉冲时间,总脉冲时间除以这段时间就得到有效占空比)。
当双向LLC电路正反向工作在Ⅲ区间时,其控制方法采用保持输入侧PWM占空比为50%,开关频率fs>谐振频率fr(fs的最大值为300KHz),在整流侧开关的PWM占空比和开关频率与输入侧保持一致,但是对整流侧开关进行移相控制。移相值为Phs,设定本实施例的最大移相值为phs1。因此移相值取值范围为0至phs1。通过改变整流侧开关的移相值Phs,实现电路的Boost升压,电路的传输增益大于1。当移相值为phs1时,传输增益最大为M2,M2的大小与负载大小有关,负载越小M2越大。
如图3所示,展示了本实施例工作在正向模式整流侧移相Boost升压波形。此时输入侧H桥电路11和整流侧H桥电路12保持相同开关频率fs=f1=100KHz,保持相同的PWM占空比50%。整流侧H桥电路12的开关臂Q7、Q8与开关臂Q5、Q6相对滞后移相1.5μs,也就是移相15%。输入侧电压V1=240V,整流侧输出电压V2=293V。实现了传输增益大于1。输入侧电流为Ⅰp,输出侧电流为Ⅰs。在t1到t2时间段,开关臂Q7、Q8滞后开关臂Q5、Q6时间1.5μs。在t2到t3时间段,开关管Q5和Q8同时导通。
如图4所示,展示了在t1到t2时间段,双向LLC电路正向Boost储能。在此阶段整流侧开关Q6、Q8关断,Q5和Q7导通,因此变压器14整流侧绕组短路,绕组电压U2为0.因此变压器14输入侧绕组电压U1也被钳位到0。输入侧电感Lr1通过Q1,Q4进行储能,这段时间就是整流侧开关的移相时间Phs=phs1=1.5μs,双向LLC电路工作在Boost储能阶段。
如图5所示,展示了在t2到t3时间段,双向LLC电路正向Boost释放能量。在此阶段整流侧开关Q7关断,Q8导通,变压器14整流侧绕组开始向整流侧V2输出能量。
如图6所示,展示了本实施例工作在反向模式整流侧移相Boost升压波形。此时输入侧H桥电路12和整流侧H桥电路11保持相同开关频率fs=f1=100KHz,保持相同的PWM占空比50%。整流侧H桥电路11的开关臂Q3、Q4与开关臂Q1、Q2相对滞后移相1.5μs,也就是移相15%。输入侧电压V2=240V,整流侧输出电压V1=312V。实现了传输增益大于1。输入侧电流为Ⅰp,输出侧电流为Ⅰs。在t1到t2时间段,开关臂Q3、Q4滞后开关臂Q1、Q2时间1.5us。在t2到t3时间段,开关管Q1和Q4同时导通。
如图7所示,展示了在t1到t2时间段,双向LLC电路反向Boost储能。在此阶段整流侧开关Q2、Q4关断,Q1和Q3导通,因此整流侧电感Lr1通过Q1,Q3进行储能,这段时间就是整流侧开关的移相时间Phs=phs1=1.5us,双向LLC电路工作在Boost储能阶段。
如图8所示,展示了在t2到t3时间段,双向LLC电路反向Boost释放能量。在此阶段整流侧开关Q3关断,Q4导通,变压器14整流侧电感Lr1通过开关Q1和Q4开始向整流侧V1输出能量。
此实施例通过调整双向LLC电路的整流侧开关管进行移相Boost升压,实现了双向工作的大于1增益。在双向LLC电路的变形电路中,如双向CLLC电路,CLLLC电路中,本控制方法也是可行的,所以本发明所指的功率变换器双向LLC电路包含双向LLC电路的变形电路。
本发明的有益效果是,在双向全桥LLC电路中,通过输入侧固定开关频率,整流侧全桥开关管进行移相控制boost升压,可以实现全桥LLC电路双向工作增益大于1。不需要单独增加器件,通过软件调制方法,就可以满足双向变换器双向工作在较宽的增益范围。

Claims (5)

1.一种功率变换器双向LLC电路的控制方法,功率变换器双向LLC电路包括第一H桥电路、第二H桥电路和变压器,第一H桥电路与变压器一侧的绕组相连,第二H桥电路与变压器另一侧的绕组相连;功率变换器双向LLC电路正向工作时,第一H桥电路为输入侧,第二H桥电路为整流侧;功率变换器双向LLC电路反向工作时,第二H桥电路为输入侧,第一H桥电路为整流侧,其特征在于,控制方法包括在传输增益大于1的范围内进行调节:输入侧的开关管工作在固定开关频率和固定在50%开关占空比的模式下,整流侧两个半桥的开关管工作在移相控制模式下,实现交替Boost升压,通过调节移相值调节Boost升压比,以实现双向LLC电路增益大于1。
2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于,功率变换器双向LLC电路包括LC谐振元件,LC谐振元件的谐振频率为fr;第一H桥电路或第二H桥电路通过LC谐振元件与变压器的绕组相连;输入侧开关管的开关频率fs>谐振频率fr,输入侧开关管的PWM占空比为50%;整流侧开关管的PWM占空比、开关频率与输入侧开关管的PWM占空比、开关频率保持一致;整流侧的移相值取值范围为0至最大移相值。
3.根据权利要求2所述的控制方法,其特征在于,控制方法包括在传输增益小于1的范围内进行调节:保持输入侧开关管的PWM占空比为50%,通过调节输入侧开关管的开关频率fs来调节传输增益为1到M1,M1为当输入侧开关管PWM占空比为50%时,最大开关频率时的传输增益;输入侧开关管的开关频率fs的调节范围为谐振频率fr到输入侧开关管的最大开关频率fmax,整流侧开关管的PWM占空比、开关频率与输入侧开关管的PWM占空比、开关频率保持一致;整流侧不进行移相。
4.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于,保持输入侧开关管的开关频率fs=fmax,通过调节输入侧开关管的有效占空比,来调节传输增益从M1到0,整流侧的开关管不进行驱动,利用其集成的体二极管进行整流。
5.根据权利要求4所述的控制方法,其特征在于,有效占空比的调节方法采用直接调节输入侧开关管的PWM占空比从50%到0或通过调节输入从开关管的移相值从0到50%可通过调节输入侧开关管的PWM驱动信号进行间歇式脉冲控制。
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