CN111293889B - 一种lcc谐振变换器轻载效率优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LCC谐振变换器轻载效率优化控制方法，包括如下步骤：(1)通过控制LCC变换器在轻载时进入Burst模式，在工作状态和待机状态之间不断切换，提升系统效率；(2)通过状态轨迹控制实现LCC变换器在工作状态的最优化，并且在待机状态下消除谐振，避免变压器饱和；(3)提出LCC变换器从启动模式切换到Burst模式的控制方法，可以在一个开关周期内完成模式切换，且切换过程中没有电流或电压应力。本发明能够提升变换器的轻载效率，使得变换器在较窄的频率范围内即可实现全范围工作，变换器在一个开关周期内完成从启动模式到Burst模式切换，且切换过程中没有电流或电压应力。

Description

一种LCC谐振变换器轻载效率优化控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种LCC谐振变换器轻载效率优 化控制方法。

背景技术

近年来，高压直流电源广泛应用于加速器、静电除尘、医疗X光电源等领 域，LCC谐振变换器以其能够利用变压器的寄生参数和软开关的优势，在高压 直流电源领域获得广泛采用；利用其软开关特性，开关频率可以进一步提高， 实现高效率和高功率密度。因此，在高输出电压隔离式DC-DC电源中，LCC谐 振变换器已成为首选。

如图1所示，LCC谐振变换器采用H桥作为功率转换的基本单元，H桥由 4个开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄构成，谐振腔由谐振电感L_r、串联谐振电容C_r和 并联谐振电容C_p组成，输入和输出通过变压器进行隔离，输出整流桥由4个二 极管D₁、D₂、D₃和D₄组成，输出采用电容C_o进行滤波，提供波动小、稳定的 输出电压。变换器的输入电压为V_in，输出电压为V_o，变压器的变比为n，流过 谐振电感L_r的电流为i_Lr，电容C_r的电压为v_Cr，电容C_p的电压为v_Cp。

由于LCC谐振变换器的谐振腔增益依赖于开关频率，因此通常通过调节开 关频率来实现输出电压控制；尽管LCC谐振变换器结合了串联和并联谐振变换 器的优点，开关频率从满载到轻载会急剧增加，这将导致更大的功率损耗，包 括驱动、开关损耗、磁芯损耗等。此外，轻载时，LCC变换器的谐振腔中会有 更多的无功功率，因此LCC变换器的效率在轻载时急剧下降，更宽的开关频率 范围给高压变压器、驱动、控制等设计提出了更高的要求。

Burst模式广泛应用于DC-DC变换器，可以降低轻载时的开关频率，从而 提高转换器的效率；但是，对于LCC变换器，由于谐振腔的复杂动态特性，Burst 模式还未成功应用，如果没有对导通脉冲进行优化，则在变换器工作时中会产 生谐振电流和电压的过冲。更严重的是，在待机模式下，并联谐振电容C_p和变 压器的励磁电感之间会出现谐振，这种谐振不仅会降低LCC谐振变换器的效率， 还会导致变压器饱和；因此，如何优化工作模式下的导通脉冲，是将Burst模式 应用于LCC谐振转换器的关键。

针对传统控制方法的不足，有学者提出了最优状态轨迹控制(OptimalTrajectory Control，OTC)技术，对谐振变换器的谐振腔的电气参数进行控制，具 体地：通过建立以谐振变换器的内部运行机理为基础的数学模型，绘制出谐振 变换器各种工作模式的状态轨迹，通过控制谐振变换器在这些状态轨迹之间进 行切换，来实现各种控制目标；但是将状态轨迹控制应用于LCC变换器的Burst 模式仍需进一步研究，同时LCC变换器从启动模式切换到Burst模式也还需进 一步研究。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种LCC谐振变换器轻载效率优化控制方法，能 够提升变换器的轻载效率，使得变换器在较窄的频率范围内即可实现全范围工 作；所提出的模式切换方法使得变换器在一个开关周期内完成从启动模式到 Burst模式切换，且切换过程中没有电流或电压应力。

一种LCC谐振变换器轻载效率优化控制方法，包括如下步骤：

(1)将LCC谐振变换器从启动模式切换进入Burst模式，刚进入Burst模 式后变换器处于待机状态，所有功率开关器件均关断，此时采集变换器的输出 电压V_o；

(2)使输出电压V_o与给定的参考电压V_ref进行比较，若V_o小于等于V_ref， 则触发固定导通脉冲控制程序；

(3)所述固定导通脉冲控制程序按照所规划的状态轨迹计算出导通脉冲时 长T₀和T₁，T₀为变换器中开关管Q₂或Q₃在一个Burst周期内的导通时长，T₁为变换器中开关管Q₁或Q₄在一个Burst周期内的导通时长；

(4)利用驱动模块根据导通脉冲时长T₀和T₁控制变换器各功率开关器件 开通和关断，则变换器进入工作状态，输出电压V_o升高；

(5)工作T₀+T₁后，变换器重新进入待机状态，所有功率开关器件均关断， 通过输出电容C_o给负载供电，输出电压V_o不断降低，返回步骤(2)并依此循 环执行。

进一步地，所述步骤(1)中将LCC谐振变换器从启动模式切换进入Burst 模式，具体过程如下：

1.1在变换器开始启动后，不断采集其输出电压V_o；

1.2使输出电压V_o与参考电压V_ref进行比较，若V_o大于等于V_ref，则触发模 式切换控制程序；

1.3所述模式切换控制程序按照所规划的状态轨迹计算出导通脉冲的时间 变换量ΔT；

1.4利用驱动模块将启动模式下变换器中开关管Q₁和Q₄最后一个导通脉冲 的时长减小ΔT，并依此控制变换器各功率开关器件开通和关断；

1.5经一个开关周期后，将变换器切换进入Burst模式。

进一步地，Q₁和Q₂分别为变换器H桥其中一相的上桥臂开关管和下桥臂开 关管，Q₃和Q₄分别为变换器H桥另一相的上桥臂开关管和下桥臂开关管，Q₁和Q₄同步导通，Q₂和Q₃同步导通。

进一步地，所述步骤(3)中固定导通脉冲控制程序按照以下状态轨迹方程 计算导通脉冲时长T₀和T₁；

ρ₂＝1-V_CN,ρ₄＝I_LrNmax

其中：V_in为变换器的输入电压，n为变换器中变压器的变比，L_r为变换器谐振 腔中谐振电感的电感值，C_r为变换器谐振腔中的串联谐振电容的容值，C_p为变 换器谐振腔中的并联谐振电容的容值，I_LrNmax为变换器工作于Burst模式下的谐 振电流(即谐振电感的电流)最大限值，其余均为中间变量。

进一步地，所述步骤1.3中模式切换控制程序按照以下状态轨迹方程计算导 通脉冲的时间变换量ΔT；

ρ₆＝I_LrNmax1

其中：V_in为变换器的输入电压，n为变换器中变压器的变比，L_r为变换器谐振 腔中谐振电感的电感值，C_r为变换器谐振腔中的串联谐振电容的容值，C_p为变 换器谐振腔中的并联谐振电容的容值，I_LrNmax1为变换器工作于启动模式下的谐 振电流(即谐振电感的电流)最大限值，其余均为中间变量。

进一步地，所述变换器在轻载时进入Burst模式后且处于待机模式时，谐振 腔中并联谐振电容的电压保持为0，避免了并联谐振电容与变压器励磁电感的谐 振，既提升了变换器效率，又避免了变压器饱和。

基于上述技术方案，本发明控制方法具有以下有益技术效果：

1.本发明基于状态轨迹的LCC变换器Burst模式控制方法，能够提升变换 器的轻载效率，使得变换器在较窄的开关频率范围内即可实现全范围工作，增 强了LCC变换器在高压X光电源、静电除尘以及粒子加速器等场合的应用能力。

2.本发明LCC变换器从启动模式切换到Burst模式的控制方法，可以在一 个开关周期内完成模式切换，且切换过程中没有电流或电压应力。

附图说明

图1为LCC谐振变换器的结构示意图。

图2为固定导通脉冲控制方法下LCC谐振变换器的波形示意图。

图3为LCC谐振变换器在Burst模式下的波形示意图。

图4为LCC谐振变换器在Burst模式的状态轨迹示意图。

图5为LCC谐振变换器从启动模式切换到Burst模式的波形示意图。

图6为LCC谐振变换器从启动模式切换到Burst模式的状态轨迹示意图。

图7为采用本发明方法实际运行中变换器在Burst模式下的波形示意图。

图8为采用本发明方法实际运行中变换器从启动模式切换到Burst模式的波 形示意图。

图9为实际运行中无Burst模式下和采用本发明Burst模式下变换器的效率 对比示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技 术方案进行详细说明。

对于容性滤波的LCC谐振变换器，本发明建立了基于状态轨迹的控制系统， 实现对谐振腔动态特性的精确控制。通过将LCC谐振变换器分为6个模式，在 每个模式下求解谐振腔的微分方程，得到谐振电流与谐振电压的精确解，将谐 振电流与谐振电压归一化后，在V_CprN-I_LrN平面绘制出每种模式的状态轨迹曲线； 将这6种模式的状态轨迹曲线的进行部分组合，即可实现对LCC谐振变换器的 精确控制。本发明根据所推导的不同模式下LCC谐振变换器的状态轨迹曲线， 建立适用于轻载Burst模式的状态轨迹，控制LCC变换器按此状态轨迹运行， 并控制变换器在工作模式和待机模式的切换，实现减小LCC变换器的工作频率范围，提高其轻载效率。

如图2所示，本发明通过比较输出电压V_o和参考电压V_ref，当V_o小于或等 于V_ref时，控制器输出固定的导通脉冲，变换器进入工作模式；当V_o大于V_ref时，变换器处于待机模式，输出电容C_o给负载继续供能。因此，Burst模式下变 换器不断在工作模式和待机模式之间进行切换，Burst模式周期为T_burst，其中处 于工作模式的时间为T_on，处于待机模式的时间为T_off。

如图3所示，在t₀时刻，检测到V_o小于或等于V_ref，LCC变换器进入到工 作模式。开关管Q₂和Q₃开始导通，经过时间T₀后，Q₂和Q₃关断，Q₁和Q₄导 通时间T₁，而后所有开关管关断，LCC变换器进入到待机模式。

将t₀～t₇的谐振腔的电流和电压进行标幺化，在V_cprN-I_LrN平面上的状态轨迹 如图4所示，根据状态轨迹可计算出导通脉冲的时间长度T₀和T₁，实现过程如 下：

(1)计算出t₀和t₆时刻，电容C_r的电压v_CrN(t₀)和v_CrN(t₆)；计算t₀～t₁之间 椭圆状态轨迹长轴的一半ρ₀，计算公式如下：

(2)计算出t₁时刻在状态平面的坐标A(V_AN，I_AN)，计算公式如下：

(3)将变换器工作于Burst模式时的谐振电流(流过Lr的电流)最大值限制 为I_LrNmax，t₄～t₅之间圆形状态轨迹的半径ρ4＝I_LrNmax；计算出t₃时刻在状态平面的 坐标C(V_CN，0)，计算公式如下：

ρ₂＝1-V_CN

(4)计算出t₄～t₅之间圆形状态轨迹的半径ρ₁、t₂时刻在状态平面的坐标 B(V_BN，I_BN)、t₄时刻在状态平面的坐标D(V_DN，I_DN)，计算公式如下：

(5)计算出t₅～t₆之间圆形状态轨迹的半径ρ₅、t₅时刻在状态平面的坐标 E(V_EN，I_EN)，计算公式如下：

V_EN＝(ρ₅ ²-ρ₄ ²)/4

其中：n为变压器的变比。

(6)计算图4各段状态轨迹圆弧或椭圆弧对应的角度θ₀₁、θ₁₂、θ₂₃、θ₃₄、 θ₄₅，即可得到导通脉冲长度T₀和T₁，计算公式如下：

如图5所示，LCC变换器从启动模式切换到Burst模式，切换在一个开关周 期内完成，即图中的t₀～t₈；在模式切换过程中，开关管Q₂和Q₃的导通时间为 T₂，Q₁和Q₄导通时间为T₃。

在t₀～t₈之间的状态轨迹如图6所示，通过将开关管Q₁和Q₄提前关断，即 可将处于启动状态的谐振腔切换到Burst模式，提前关断的时间为ΔT，实现过程 如下：

(1)将变换器工作于启动模式时的谐振电流最大值限制为I_LrNmax1，t₅～t₀之 间圆形状态轨迹的半径ρ₆＝I_LrNmax1；计算出t₅时刻在状态平面的坐标H(V_HN，I_HN)、 t₆时刻在状态平面的坐标J(V_JN，I_JN)，计算公式如下：

(2)计算状态轨迹圆弧HJ对应的角度Δθ，即可得Q₁和Q₄提前关断的时 间ΔT，计算公式如下：

从图7所示的工作于Burst模式下的LCC变换器电压、电流波形可以看出， 采用本发明控制方法的LCC变换器在轻载时不断在工作模式和待机模式之间进 行切换，处于工作模式时电压和电流波形良好，无过压、过流以及冲击等现象； 处于待机模式时，电压和电流无谐振现象。

从图8可见，采用本发明控制方法的LCC变换器能在一个开关周期内从启 动模式切换到Burst模式，切换过程中电压和电流波形良好，无过压、过流以及 冲击等现象。

从图9中可以看出，采用本发明控制的LCC变换器能极大的提升系统的效 率：不采用本发明控制方法时，在小于20％的负载范围内，系统的效率均低于 80％；在2％的负载下，效率甚至低于40％；采用本发明控制方法后，在2％的 负载下，效率高于90％。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本 发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并 把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此， 本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做 出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种LCC谐振变换器轻载效率优化控制方法，包括如下步骤：

(1)将LCC谐振变换器从启动模式切换进入Burst模式，刚进入Burst模式后变换器处于待机状态，所有功率开关器件均关断，此时采集变换器的输出电压V_o；

(2)使输出电压V_o与给定的参考电压V_ref进行比较，若V_o小于等于V_ref，则触发固定导通脉冲控制程序；

(3)所述固定导通脉冲控制程序按照以下状态轨迹方程计算出导通脉冲时长T₀和T₁，T₀为变换器中开关管Q₂或Q₃在一个Burst周期内的导通时长，T₁为变换器中开关管Q₁或Q₄在一个Burst周期内的导通时长，Q₁和Q₂分别为变换器H桥其中一相的上桥臂开关管和下桥臂开关管，Q₃和Q₄分别为变换器H桥另一相的上桥臂开关管和下桥臂开关管，Q₁和Q₄同步导通，Q₂和Q₃同步导通；

ρ₂＝1-V_CN,ρ₄＝I_LrNmax

其中：V_in为变换器的输入电压，n为变换器中变压器的变比，L_r为变换器谐振腔中谐振电感的电感值，C_r为变换器谐振腔中的串联谐振电容的容值，C_p为变换器谐振腔中的并联谐振电容的容值，I_LrNmax为变换器工作于Burst模式下的谐振电流最大限值，其余均为中间变量；

(4)利用驱动模块根据导通脉冲时长T₀和T₁控制变换器各功率开关器件开通和关断，则变换器进入工作状态，输出电压V_o升高；

(5)工作T₀+T₁后，变换器重新进入待机状态，所有功率开关器件均关断，通过输出电容C_o给负载供电，输出电压V_o不断降低，返回步骤(2)并依此循环执行。

2.根据权利要求1所述的LCC谐振变换器轻载效率优化控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中将LCC谐振变换器从启动模式切换进入Burst模式，具体过程如下：

1.1在变换器开始启动后，不断采集其输出电压V_o；

1.2使输出电压V_o与参考电压V_ref进行比较，若V_o大于等于V_ref，则触发模式切换控制程序；

1.3所述模式切换控制程序按照所规划的状态轨迹计算出导通脉冲的时间变换量ΔT；

1.4利用驱动模块将启动模式下变换器中开关管Q₁和Q₄最后一个导通脉冲的时长减小ΔT，并依此控制变换器各功率开关器件开通和关断；

1.5经一个开关周期后，将变换器切换进入Burst模式。

3.根据权利要求2所述的LCC谐振变换器轻载效率优化控制方法，其特征在于：所述步骤1.3中模式切换控制程序按照以下状态轨迹方程计算导通脉冲的时间变换量ΔT；

ρ₆＝I_LrNmax1

其中：I_LrNmax1为变换器工作于启动模式下的谐振电流最大限值，其余均为中间变量。

4.根据权利要求1所述的LCC谐振变换器轻载效率优化控制方法，其特征在于：所述变换器在轻载时进入Burst模式后且处于待机模式时，谐振腔中并联谐振电容的电压保持为0，避免了并联谐振电容与变压器励磁电感的谐振，既提升了变换器效率，又避免了变压器饱和。

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