CN111146949B

CN111146949B - 一种llc谐振电路的控制方法及系统

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Publication number: CN111146949B
Application number: CN201911353314.9A
Authority: CN
Inventors: 张雨; 周柳春; 刘飞
Original assignee: China Great Wall Technology Group Co ltd
Current assignee: Great Wall Power Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: CN111146949A

Abstract

一种LLC谐振电路的控制方法及系统，该控制方法具体为，发生原边限流保护时，在当前开关周期内停止输出脉宽调制信号至半桥电路，以使两个功率开关管在当前开关周期内关断，有效避免功率开关管损坏而导致电源损坏；再在当前开关周期内，将当前寄存的脉宽调制信号的开关频率重新配置为第二谐振频率并寄存、将环路补偿的历史控制量修改为与第二谐振频率相对应的控制量并寄存，在下一个开关周期开始，输出优化后的脉宽调制信号，优化后的脉宽调制信号的开关频率为第二谐振频率，从而实现无需对LLC谐振电路进行关断重启即可退出原边限流保护状态、脱离容性区域后进行工作，不会导致负载输出掉电，不影响负载工作进程，工作效率高。

Description

一种LLC谐振电路的控制方法及系统

技术领域

本发明属于开关电源技术领域，尤其涉及一种LLC谐振电路的控制方法及系统。

背景技术

基于LLC谐振电路的数控开关电源因其效率高、噪声小以及成本低而被广泛应用于各种中高功率等级的应用场合中，但是，这种结构的LLC谐振电路存在着一次侧电流峰值大、电流上升斜率和下降斜率大的缺点，如果不对峰值电流加以监控和限制，则很容易超出功率半导体的SOA(Safe Operation Area，安全工作区)导致开关电源损坏。因此，需要对原边电流的峰值进行采样，一旦峰值电流超出预设值立即停止输出所有功率半导体的驱动信号，直到下一个开关周期再重新输出驱动信号。该种方法的缺陷在于，当原边发生限流保护时，LLC谐振电路工作在第一谐振频率和第二谐振频率之间，正负周期的电流不再对称，两个谐振电容的电压失衡，谐振腔中谐振电流的相位超前谐振电压，即LLC谐振电路工作在容性区域，无法自主恢复到正常的工作状态。为了使LLC谐振电路回复正常工作状态，目前，传统的控制方法是是关闭LLC谐振电路后，再重新启动。然而，该方式会导致负载的输出掉电，严重影响负载工作进程，降低了工作效率，在很多应用领域中，这是无法被接受的。

因此，传统的LLC谐振电路技术方案中存在着当电路出现限流保护导致工作在容性区域时，必须对LLC谐振电路进行关断重启而导致负载的输出掉电，严重影响负载工作进程、降低工作效率的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种LLC谐振电路的控制方法及系统，旨在解决传统的LLC谐振电路技术方案中存在着当电路出现限流保护导致工作在容性区域时，必须对LLC谐振电路进行关断重启而导致负载的输出掉电，严重影响负载工作进程、降低工作效率的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种LLC谐振电路的控制方法，所述LLC谐振电路采用两个功率开关管组成的半桥电路，所述LLC谐振电路具有第一谐振频率和第二谐振频率，并且所述第一谐振频率小于所述第二谐振频率，所述控制方法包括：

当发生原边限流保护时，在当前开关周期内停止输出脉宽调制信号至半桥电路，以控制两个功率开关管均处于关断状态；

将当前寄存的脉宽调制信号的开关频率重新配置为第二谐振频率，并进行寄存；

将环路补偿的历史控制量修改为与第二谐振频率相对应的控制量，并进行寄存；

获取寄存的第二谐振频率和控制量，并根据第二谐振频率和控制量相应调整脉宽调制信号的开关频率，得到优化后的脉宽调制信号；

从当前开关周期的下一个开关周期开始，输出优化后的脉宽调制信号至半桥电路，以控制两个功率开关管进行工作。

本发明实施例的第二方面提供了一种LLC谐振电路的控制系统，所述LLC谐振电路包括采用两个功率开关管组成的半桥电路，所述LLC谐振电路具有第一谐振频率和第二谐振频率，所述第一谐振频率小于所述第二谐振频率，所述控制系统包括：

控制模块，用于未发生原边限流保护时输出脉宽调制信号至半桥电路，以控制两个功率开关管进行工作，并且发生原边限流保护时，在当前开关周期内停止输出脉宽调制信号，以控制两个功率开关管均处于关断状态；

配置模块，用于发生原边限流保护时，在当前开关周期内，将当前寄存的脉宽调制信号的开关频率重新配置为第二谐振频率，并将环路补偿的历史控制量修改为与第二谐振频率相对应的控制量；

寄存模块，用于发生原边限流保护时，在所述当前开关周期内寄存所述第二谐振频率，并在所述当前开关周期内寄存所述控制量；

调整模块，用于获取所述第二谐振频率和所述控制量，并根据所述第二谐振频率和所述控制量相应调整脉宽调制信号的开关频率，以使控制模块从所述当前开关周期的下一个开关周期开始，输出优化后的脉宽调制信号至半桥电路，以控制两个功率开关管进行工作。

上述的一种LLC谐振电路的控制方法及系统，发生原边限流保护时，在当前开关周期内停止输出脉宽调制信号至半桥电路，以使两个功率开关管在当前开关周期内关断，有效避免功率开关管损坏而导致电源损坏；再在当前开关周期内，将当前寄存的脉宽调制信号的开关频率重新配置为第二谐振频率并寄存、将环路补偿的历史控制量修改为与第二谐振频率相对应的控制量并寄存，在下一个开关周期开始，恢复输出脉宽调制信号，此时脉宽调制信号的开关频率为第二谐振频率，从而实现无需对LLC谐振电路进行关断重启即可退出原边限流保护状态、脱离容性区域后进行工作，不会导致负载输出掉电，不影响负载工作进程，工作效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例第一方面提供的一种LLC谐振电路的控制方法的具体流程图；

图2为本发明另一实施例提供的一种LLC谐振电路的控制方法的具体流程图；

图3为本发明实施例第二方面提供的一种LLC谐振电路的控制系统的模块结构示意图；

图4为本发明另一实施例提供的一种LLC谐振电路的控制系统的模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，为本发明实施例第一方面提供的一种LLC谐振电路的控制方法的具体流程图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种LLC谐振电路的控制方法，包括如下步骤：

S01：当发生原边限流保护时，在当前开关周期内停止输出脉宽调制信号至半桥电路，以控制两个功率开关管均处于关断状态。

S02：在当前开关周期内，将当前寄存的脉宽调制信号的开关频率重新配置为第二谐振频率fr2，并进行并寄存。

S03：在当前开关周期内，将环路补偿的历史控制量修改为与第二谐振频率fr2相对应的控制量，并进行并寄存。

S04：获取寄存的第二谐振频率和控制量，并根据第二谐振频率和控制量相应调整脉宽调制信号的开关频率，得到优化后的脉宽调制信号。

S05：从当前开关周期的下一个开关周期开始，输出优化后的脉宽调制信号至半桥电路，以控制两个功率开关管进行工作。

本发明的控制方法应用于LLC谐振电路上，具体的，LLC谐振电路包括电源POW、谐振电容器Cr、漏电感器Lr、变压器T1以及采用两个功率开关管Q1、Q2组成的半桥电路。于LLC谐振电路通过两个功率开关管Q1、Q2分别周期性导通和关断，以对电源POW输出的信号进行处理后输出。

根据LLC谐振电路的直流特性可知，LLC谐振电路正常工作过程中有两个工作区，分别为零电压工作区和零电流工作区，因此对应有两个谐振频率，其中，第一谐振频率fr1由变压器T1的原边线圈的参数、谐振电容器Cr的参数以及负载R0条件决定，负载R0增大，第一谐振频率fr1将会升高；第二谐振频率fr2由漏电感器Lr和谐振电容器Cr的参数决定。第一谐振频率fr1小于第二谐振频率fr2。

具体的，优化后的脉宽调制信号的开关频率为第二谐振频率，两个功率开关管Q1、Q2进行工作时，分别进行周期性导通和关断，也即是，功率开关管Q1导通的同时，功率开关管Q2关断，而功率开关管Q2关断的同时，功率开关管Q1导通。

具体的，当发生原边限流保护时，立即停止输出脉宽调制信号至半桥电路，使得两个功率开关管Q1、Q2关断，从而避免峰值电流继续输出，导致功率开关管损坏、电源损坏以及负载R0损坏。为了解决电路发生原边限流保护时无法自主退出保护模式从而必须关闭LLC谐振电路后重新启动的问题，增加步骤S02、步骤S03以及步骤S04，通过步骤S02、步骤S03以及步骤S04将当前开关周期内的寄存的脉宽调制信号的开关频率重新配置为第二谐振频率fr2并寄存、将环路补偿的历史控制量修改为与第二谐振频率fr2相对应的控制量，从而实现在当前开关周期结束后，进入下一个开关周期时，LLC谐振电路直接跳至第二谐振频率fr2处进行工作，由LLC谐振电路的特性可知，LLC谐振电路在第二谐振频率fr2处工作不会进入容性工作区。

LLC谐振电路输出的电信号经过整流桥整流后，再经输出电容C0滤波处理，最后输出至负载R0中。由于输出电容C0的存在，LLC谐振电路跳至第二谐振频率fr2处工作后，虽然工作频率短暂推高，但在此过程中，输出电压仅会出现一次较小的跌落，不会超出电源的动态调节范围。

值得说明的是，本发明提供的LLC谐振电路的控制方法，步骤S01、S02、S03以及S04是当发生原边限流保护时，在当前开关周期内完成执行的。开关周期是指半桥电路中的两个功率开关管Q1、Q2中任意一个所述功率开关管导通和关断一次所用时长，因此开关周期与半桥电路接收的脉宽调制信号的开关频率成反比例关系，也即是，脉宽调制信号的开关频率与开关周期的转换公式为：

其中，T为开关周期，f_pwm为脉宽调制信号的开关频率。

而当前开关周期是指，发生原边限流保护时，LLC谐振电路所处的开关周期。

本发明中，当发生原边限流保护时，在当前开关周期内停止输出脉宽调制信号至半桥电路、在当前开关周期内将当前寄存的脉宽调制信号的开关频率重新配置为第二谐振频率fr2、将环路补偿的历史控制量修改为与第二谐振频率fr2相对应的控制量，并且将第二谐振频率fr2和控制量进行寄存，以便下一个开关周期开始时，重新输出给半桥电路的脉宽调制信号具备第二谐振频率fr2，也即是，f_pwm＝fr2，从而使得LLC谐振电路无需掉电重启便可跳出容性工作区，重新进入零电压工作区。

由于步骤S01、S02、S03以及S04是当发生原边限流保护时，在当前开关周期内完成执行的，并且由于输出电容C0的存在，因此虽然在当前开关周期内半桥电路停止工作，使得输出电压出现一次较小的跌落，但是并不会超出电源的动态调节范围。

本发明提供的LLC谐振电路的控制方法，无需额外增加硬件成本，仅需在原有的控制LLC谐振电路的微控制器中写入代码，以改变微控制器的控制策略即可，所添加的代码写入微控制器的异常处理中断区，当发生原边限流保护时，微控制器的异常处理中断区被触发，微控制器跳转至该区，执行该区的处理函数。从而，在LLC谐振电路正常工作时，新添加的代码不占用微控制器资源，对原有的工作模态没有任何影响。

对于步骤S02，具体为通过软件改写发波寄存器的设定值，将之改写为与第二谐振频率fr2相对应的值，从而使得后续生成的脉宽调制信号的开关频率为第二谐振频率fr2。发波寄存器属于微控制器内部的控制寄存器。

对于步骤S03，历史控制量是指微控制器内部的数字PID控制器的累积分量。在通过步骤S03对该历史控制量进行改写之前，该历史控制量是一个很大的值，导致LLC谐振电路的工作频率过低，触发原边限流保护。

本发明提供的LLC谐振电路的控制方法，发生原边限流保护时，在当前开关周期内停止输出脉宽调制信号至半桥电路，以使两个功率开关管Q1、Q2在当前开关周期内关断，有效避免功率开关管损坏而导致电源损坏；再在当前开关周期内，将当前寄存的脉宽调制信号的开关频率重新配置为第二谐振频率fr2并寄存、将环路补偿的历史控制量修改为与第二谐振频率fr2相对应的控制量并寄存，在下一个开关周期开始，输出优化后的脉宽调制信号，优化后的脉宽调制信号的开关频率为第二谐振频率fr2，从而实现无需对LLC谐振电路进行关断重启即可退出原边限流保护状态、脱离容性区域后进行工作，不会导致负载R0输出掉电，不影响负载R0工作进程，工作效率高。

请参阅图2，为本发明另一实施例提供的一种LLC谐振电路的控制方法的具体流程图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，在步骤S01之前，还包括步骤S06。

步骤S06：判断是否发生原边限流保护。

具体的，本领域技术人员应知，在LLC拓扑电源中，原边是指变压器T1的一次侧电路，副边则对应为变压器T1的二次侧电路。触发原边限流保护的成因是原边电流的峰值超出预设阈值，而导致原边电流的峰值超出预设阈值的原因有多种。

具体的，步骤S06包括：

S061：实时采样原边电流，并根据原边电流的峰值判断是否发生原边限流保护。

S062：当原边电流的峰值小于预设阈值时，判定未发生原边限流保护。

S063：当原边电流的峰值大于或者等于预设阈值时，判定发生原边限流保护。

本实施例中，通过步骤S06，实时监测是否发生原边限流保护，以确保当发生原边限流保护时，可及时切断半桥电路，避免不加限制的峰值电流超出功率半导体的SOA，导致电路中的器件和负载R0损坏。

可选的，步骤S05之后，重新返回步骤S06。

请参阅图3，为本发明实施例第二方面提供的一种LLC谐振电路的控制系统的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种LLC谐振电路的控制系统，包括控制模块40、配置模块10、寄存模块20以及调整模块30。

其中，控制模块40用于未发生原边限流保护时输出脉宽调制信号至半桥电路，以控制两个功率开关管Q1、Q2进行工作，并且发生原边限流保护时，在当前开关周期内停止输出脉宽调制信号，以控制两个功率开关管均处于关断状态。

配置模块10用于发生原边限流保护时，在当前开关周期内，将当前寄存的脉宽调制信号的开关频率重新配置为第二谐振频率fr2，并将环路补偿的历史控制量修改为与第二谐振频率fr2相对应的控制量。

寄存模块20用于发生原边限流保护时，在当前开关周期内寄存第二谐振频率fr2，并在当前开关周期内寄存控制量。

调整模块30用于获取第二谐振频率fr2和控制量，并根据第二谐振频率fr2和控制量相应调节脉宽调制信号的开关频率，以使控制模块40从当前开关周期的下一个开关周期开始，输出优化后的脉宽调制信号至半桥电路，以控制两个功率开关管Q1、Q2进行工作。

具体的，如图3，LLC谐振电路包括电源POW、谐振电容器Cr、漏电感器Lr、变压器T1以及由两个功率开关管Q1、Q2组成的半桥电路，谐振电容器Cr包括第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2，谐振电容器Cr的容值等于第一谐振电容Cr1与第二谐振电容Cr2的容值之和。半桥电路的两端分别连接在电源POW的两极，谐振电容器Cr的两端分别连接电源POW的两极，漏电感器Lr的一端连接半桥电路的输出端，另一端连接变压器T1的原边。变压器T1的副边连接整流桥，整流桥的输出端连接输出电容C0，负载R0连接输出电容C0。

具体的，LLC谐振电路具有第一谐振频率fr1和第二谐振频率fr2，第一谐振频率fr1小于第二谐振频率fr2。

根据LLC谐振电路的直流特性可知，LLC谐振电路正常工作过程中有两个工作区，分别为零电压工作区和零电流工作区，因此对应有两个谐振频率，其中，第一谐振频率fr1由变压器T1的原边线圈的参数、谐振电容器Cr的参数以及负载R0条件决定，负载R0增大，第一谐振频率fr1将会升高；第二谐振频率fr2由漏电感器Lr和谐振电容器Cr的参数决定。

具体的，第一谐振频率fr1的计算公式为：

其中，fr1为第一谐振频率，π为圆周率，Lr为漏电感器Lr的感抗，Cr为谐振电容的容值，Lm为变压器T1的原边线圈的阻抗。

具体的，第二谐振频率fr2的计算公式为：

其中，fr2为第二谐振频率，π为圆周率，Lr为漏电感器Lr的感抗，Cr为谐振电容的容值。

请参阅图4，为本发明另一实施例提供的一种LLC谐振电路的控制系统的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，上述的控制系统还包括采样模块50，采样模块50用于实时采样原边电流。

在一可选实施例中，上述的控制系统还包括判断模块60，用于将原边电流与预设阈值进行比较，当原边电流的峰值小于预设阈值时，判定未发生原边限流保护；当原边电流的峰值大于或者等于预设阈值时，判定发生原边限流保护。

具体的，上述的配置模块10、寄存模块20、调整模块30以及控制模块40均为微控制器内部的功能模块，采样模块50可采用采样电阻实现，将采样电阻串接在原边电路上进行电压采样，并将采样电压输入至判断模块60。判断模块60可以为微控制器内部的功能模块，也可以为外部的功能模块。

综上所述，本发明提供了一种LLC谐振电路的控制方法及系统，该控制方法具体为，发生原边限流保护时，在当前开关周期内停止输出脉宽调制信号至半桥电路，以使两个功率开关管在当前开关周期内关断，有效避免功率开关管损坏而导致电源损坏；再在当前开关周期内，将当前寄存的脉宽调制信号的开关频率重新配置为第二谐振频率并寄存、将环路补偿的历史控制量修改为与第二谐振频率相对应的控制量并寄存，在下一个开关周期开始，输出优化后的脉宽调制信号，此时优化后的脉宽调制信号的开关频率为第二谐振频率，从而实现无需对LLC谐振电路进行关断重启即可退出原边限流保护状态、脱离容性区域后进行工作，不会导致负载输出掉电，不影响负载工作进程，工作效率高。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种LLC谐振电路的控制方法，所述LLC谐振电路采用两个功率开关管组成的半桥电路，所述LLC谐振电路具有第一谐振频率和第二谐振频率，并且所述第一谐振频率小于所述第二谐振频率，其特征在于，所述控制方法包括：

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当发生原边限流保护时，在当前开关周期内停止输出脉宽调制信号至半桥电路，以控制两个功率开关管均处于关断状态之前，还包括：

判断是否发生原边限流保护。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，判断是否发生原边限流保护具体为：

实时采样原边电流；

当原边电流的峰值小于预设阈值时，判定未发生原边限流保护；

当原边电流的峰值大于或者等于预设阈值时，判定发生原边限流保护。

4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，从当前开关周期的下一个开关周期开始，输出优化后的脉宽调制信号至半桥电路，以控制两个功率开关管进行工作之后，还包括：

返回判断是否发生原边限流保护。

5.如权利要求1所述的控制方法，所述LLC谐振电路还包括电源、谐振电容器、漏电感器以及变压器；其特征在于，所述第二谐振频率的计算公式为：

其中，f_r2为所述第二谐振频率，π为圆周率，L_r为所述漏电感器的感抗，C_r为所述谐振电容器的容值。

6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，脉宽调制信号的开关频率与开关周期的转换公式为：

其中，T为开关周期，f_pwm为脉宽调制信号的开关频率。

7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，开关周期指任意一个所述功率开关管导通和关断一次所用时长。

8.一种LLC谐振电路的控制系统，所述LLC谐振电路包括采用两个功率开关管组成的半桥电路，所述LLC谐振电路具有第一谐振频率和第二谐振频率，所述第一谐振频率小于所述第二谐振频率，其特征在于，所述控制系统包括：

9.如权利要求8所述的LLC谐振电路的控制系统，其特征在于，还包括：

采样模块，用于实时采样原边电流。

10.如权利要求9所述的LLC谐振电路的控制系统，其特征在于，还包括：

判断模块，用于将所述原边电流与预设阈值进行比较，当所述原边电流的峰值小于所述预设阈值时，判定未发生原边限流保护；

当所述原边电流的峰值大于或者等于所述预设阈值时，判定发生原边限流保护。