CN112069758B - 一种基于简化数值模型的llc变换器软启动参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，包括采样LLC变换器的输入电压，根据开关器件电流应力设置启动过程最大过冲电流I_{r_peak}，根据软开关条件设置启动过程最小软开关电流I_{r_zvs}，将其作为参数迭代初始条件，其次根据四种模态下简化电路模型，通过迭代得到启动时刻各模态持续时间与瞬时谐振电容电压和谐振电流，以此确定自适应启动频率。再次根据LLC变换器发生振荡的条件判断系统稳定性，若满足振荡条件，则得到此时的启动频率；若不满足震荡条件，则逐渐增加I_{r_peak}，同时降低I_{r_zvs}，重新进行迭代计算，直到满足振荡条件，得到启动频率，最后输出初始启动频率与初始占空比，并以此参数进行软启动。

Description

一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法

技术领域

本发明属于电子电力技术领域，涉及一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法。

背景技术

LLC谐振变换器由于其高开关频率、高效率、高功率密度的特点，在电力行业中受到广泛应用。相比于传统的移相全桥变换器，LLC变换器通常工作在谐振频率附近，通过改变开关频率来控制输出电压，不需要考虑功率回流的问题，且原副边的开关管能自然实现软开关，大大提高了变换器性能。

LLC谐振变换器的电路模型由基波等效法得到，稳态工作时直流增益通过开关频率调节。但是在启动过程中，由于初始输出电压为零，谐振电容上没有电荷，因而谐振腔内没有能量，由于基波等效模型只适用于稳态时谐振腔内有能量的情况，因而无法准确描述启动时的电路状态。如果启动频率仍为稳态工作时的开关频率，则在启动时刻谐振电流会出现较大的电流过冲，可能会触发保护，影响变换器正常工作，严重时甚至损坏开关器件。因此，需要在LLC变换器启动时增加软启动控制，以减小启动电流带来的冲击。

传统的软启动采用高频控制，以数倍开关频率作为启动频率，然后逐渐降低开关频率，直到输出电压建立，系统达到稳态。但若要大幅度地减小电流过冲，需要极高的开关频率，这对控制器提出了更高的要求。同时开关频率过高也会带来问题，前几个开关周期系统易进入容性区，使软开关无法实现。为了克服高频启动的缺陷，有学者提出了变占空比高频启动控制策略，但是占空比的变化范围和软开关性能受到启动频率的制约，计算较为繁琐，判断条件比较复杂。还有学者提出了最优启动轨迹控制策略，使LLC变换器在软启动过程中承受最小电流应力，但是控制方式非常复杂，不易用低成本的控制器实现。因此，需要研究一种理论计算较为简单，易实现，同时保证软启动性能的LLC变换器软启动控制策略。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，解决了现有LLC变换器软启动方法中参数计算过程复杂的问题，并可以得到较好的软启动效果。

本发明所采用的技术方案是，一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，包括采样LLC变换器的输入电压V_in，设置启动过程最大过冲电流I_{r_peak}和最小软开关电流I_{r_zvs}，将V_in、I_{r_peak}和I_{r_zvs}作为初始条件，将一个开关周期的工作状态细分为四个模态，迭代计算四个模态各自的持续时间、结束时的谐振电容电压和谐振电流，根据前三个模态的持续时间计算初始启动频率f_{s_initial}，根据模态4持续时间T₄判断系统稳定性，若T₄≤1/(4f_{s_initial})，表明系统不会发生振荡，则以f_{s_initial}作为启动频率，以T₁·f_{s_initial}作为初始占空比，T₁为模态1的持续时间_，在进入第二个周期之后使占空比回到50％；若T₄>1/(4f_{s_initial})，表明系统会发生振荡，重新设置I_{r_peak}和I_{r_zvs}进行迭代计算，直到系统不会发生振荡。

本发明的技术特征还在于，

具体包括以下步骤：

步骤1，采样LLC变换器的输入电压，根据开关器件电流应力设置LLC变换器启动过程最大电流过冲I_{r_peak}，以I_{r_peak}作为模态1结束时谐振电流瞬时值，计算模态1持续时间和模态1结束时的谐振电容电压瞬时值；

步骤2，以模态1结束时的谐振电流瞬时值和谐振电容电压瞬时值为模态2的初始值，计算模态2持续时间和模态2结束时谐振电容电压瞬时值；

步骤3，根据LLC变换器软开关条件，设定最小软开关电流I_{r_zvs}，以I_{r_zvs}和模态2结束时的谐振电容电压瞬时值为模态3的初始值，计算模态3持续时间和模态3结束时的谐振电容电压瞬时值；

步骤4，根据前三种模态持续时间计算初始启动频率f_{s_initial}，以最小软开关电流I_{r_zvs}和模态3结束时的谐振电容电压瞬时值为模态4的初始值，计算模态4持续时间T₄；

步骤5，根据T₄判断系统稳定性，若T₄≤1/(4f_{s_initial})，表明系统不会发生振荡，符合LLC变换器软启动条件，则以f_{s_initial}作为启动频率，以T₁·f_{s_initial}作为初始占空比，在进入第二个周期之后使占空比回到50％，若T₄>1/(4f_{s_initial})，表明系统会发生振荡，从步骤1开始，逐渐增加I_{r_peak}并逐渐降低I_{r_zvs}，直到LLC变换器满足软启动条件。

步骤1的具体过程如下：

步骤1.1，采样LLC变换器的输入电压V_in，根据开关器件电流应力设置启动过程最大电流过冲I_{r_peak}，以I_{r_peak}作为模态1结束时谐振电流瞬时值，计算模态1的持续时间T₁：

其中，L_r为谐振电感，C_r为谐振电容；

步骤1.2，计算模态1结束时谐振电容电压瞬时值u_Cr(1)

步骤2的具体过程如下：

步骤2.1，以I_{r_peak}和u_Cr(1)为模态2的初始值，计算模态2的持续时间T₂：

步骤2.2，计算模态2结束时谐振电容电压瞬时值u_Cr(2)：

步骤3的具体过程如下：

步骤3.1，根据软开关条件设置最小软开关电流I_{r_zvs}，以I_{r_zvs}和u_Cr(2)为模态3的初始值，计算模态3的持续时间T₃：

步骤3.2，计算此时谐振电容电压瞬时值u_Cr(3)：

步骤4的具体过程如下：

步骤4.1，根据前三个步骤得到的各模态持续时间，计算此时初始启动频率f_{s_initial}：

步骤4.2，以I_{r_zvs}和u_Cr(3)为模态4的初始值，计算模态4持续时间T₄：

步骤5的具体过程如下：

根据T₄判断系统稳定性，若T₄≤1/(4f_{s_initial})，表明系统不会发生振荡，软开关不会失效，符合软启动条件，则以f_{s_initial}作为启动频率，以T₁·f_{s_initial}作为初始占空比，在进入第二个周期之后使占空比回到50％，并设置指数降频曲线，逐渐降低开关频率，使系统达到稳态；若T₄>1/(4f_{s_initial})，表明系统会发生振荡，导致软开关失效，则返回步骤1，重新设置I_{r_peak}和I_{r_zvs}，逐渐增加I_{r_peak}和降低I_{r_zvs}，直到LLC系统满足软启动条件。

本发明的有益效果是，在传统高频启动的基础上，优化了初始周期启动频率和占空比的计算公式，将电流过冲限制作为了两个控制自由度，因而可以根据谐振腔状态自适应确定启动频率，避免了通过改变占空比控制的复杂计算；同时，提供了软启动判断条件，能使系统在第二周期即以50％占空比运行，只需要对初始周期进行计算，减少了整体计算量，避免了电流振荡，提高了系统达稳定性；简化了现有LLC变换器软启动方法中参数计算过程，根据电路参数自适应计算启动参数，并可以得到较好的软启动效果，即减小启动电流过冲的同时保持软开关不失效。

附图说明

图1是本发明基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法流程图；

图2是本发明实施例中LLC变换器启动初始时刻模态1的开关状态和等效电路图；

图3是本发明实施例中LLC变换器启动初始时刻模态2的开关状态和等效电路图；

图4是本发明实施例中LLC变换器启动初始时刻模态3的开关状态和等效电路图；

图5是本发明实施例中LLC变换器启动初始时刻模态4的开关状态和等效电路图；

图6是本发明实施例中四种工作模态对应的谐振电流波形；

图7是本发明实施例中系统发生振荡时谐振电流与谐振电容电压波形；

图8是传统高频启动时谐振电流与谐振电容电压波形；

图9是采用本发明的控制方法启动时谐振电流与谐振电容电压波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，是针对传统高频启动控制方法中参数计算较为复杂，无法较好保证软开关和避免电流振荡等问题，优化了参数整定方法，根据谐振腔状态自适应确定启动频率，且在第二周期即可以50％占空比运行，提高了LLC变换器的性能。

由于死区持续时间较短，通常根据LLC变换器中开关管的开关状态和电流流向，将LLC变换器的运行分为四种模态，分别为模态1，模态2，模态3和模态4，用此来描述LLC变换器的启动过程。

图1为本发明基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法的整体流程图，包括采样LLC变换器的输入电压，根据开关器件电流应力设置启动过程最大过冲电流I_{r_peak}，根据软开关条件设置启动过程最小软开关电流I_{r_zvs}，将其作为参数迭代初始条件。其次根据四种模态下简化电路模型，通过迭代得到各模态持续时间、各模态结束时的瞬时谐振电容电压和谐振电流，以此确定自适应启动频率。再次根据LLC变换器发生振荡的条件判断系统稳定性，若满足振荡条件，则得到此时的启动频率；若不满足震荡条件，则逐渐增加I_{r_peak}，同时降低I_{r_zvs}，重新进行迭代计算，直到满足振荡条件，使系统不会发生振荡，得到启动频率。最后输出初始启动频率与初始占空比，并以此参数进行软启动。

由于LLC变换器在启动初始时刻的输出电压为零，励磁电感上无能量，因此在模型中忽略启动初始时刻的输出电压和励磁电感，得到简化的电路等效模型。图2是LLC变换器启动初始时刻模态1的开关状态和等效电路图，等效电路图由直流电源、谐振电感和谐振电容构成，此时开关管Q₁导通，Q₂关断，电流流过Q₁。图3是LLC变换器启动初始时刻模态2的开关状态和等效电路图，等效电路图由谐振电感和谐振电容构成，此时开关管Q₁关断，Q₂导通，电流流过Q₂的反并联二极管。图4是LLC变换器启动初始时刻模态3的开关状态和等效电路图，等效电路图由谐振电感和谐振电容构成，此时开关管Q₁关断，Q₂导通，电流流过Q₂。图5是LLC变换器启动初始时刻模态4的开关状态和等效电路图，等效电路图由直流电源、谐振电感和谐振电容构成，此时开关管Q₁导通，Q₂关断，电流流过Q₁的反并联二极管。图2-图5中带箭头的轨迹线为电路中的电流流向。

根据以上四种模态下的等效电路，结合基尔霍夫电压定律，建立微分方程，每一模态的持续时间为自变量，谐振电流和谐振电容电压为因变量，而每一模态结束时的电流和电压作为下一模态的初始值，则可以解得微分方程的通解，即谐振电流和谐振电容电压表达式，对其进行迭代计算，得到优化后的LLC变换器软启动参数。

本发明基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，具体包括以下步骤：

步骤1，计算模态1持续时间和模态1结束时的谐振电容电压瞬时值

步骤1.1，采样LLC变换器的输入电压V_in，根据LLC变换器简化电路模型的四种模态，根据开关器件电流应力设置LLC变换器启动过程最大电流过冲I_{r_peak}，以I_{r_peak}作为模态1结束时谐振电流瞬时值，根据LLC变换器运行模态1的等效电路(见图2)，计算模态1的持续时间T₁：

其中，L_r为谐振电感，C_r为谐振电容；

步骤1.2，计算模态1结束时谐振电容电压瞬时值

步骤2，计算模态2持续时间和模态2结束时谐振电容电压瞬时值

步骤2.1，由于模态2结束时谐振电流下降到零，以模态1结束时的谐振电流瞬时值I_{r_peak}和谐振电容电压瞬时值u_Cr(1)为模态2的初始值，计算模态2的持续时间T₂：

步骤2.2，计算模态2结束时谐振电容电压瞬时值：

步骤3，计算模态3持续时间和模态3结束时的谐振电容电压瞬时值

步骤3.1，根据LLC变换器软开关条件设置最小软开关电流I_{r_zvs}，谐振电流初始值为零，以I_{r_zvs}和为模态3的初始值，计算模态3的持续时间T₃：

步骤3.2，模态3结束时谐振电流瞬时值为I_{r_zvs}，计算此时谐振电容电压瞬时值：

步骤4，计算初始启动频率f_{s_initial}和模态4持续时间T₄

步骤4.1，根据前三个步骤得到的各模态持续时间，计算此时初始启动频率f_{s_initial}：

步骤4.2，模态4结束时谐振电流下降到零，以I_{r_zvs}和为模态4的初始值，计算模态4持续时间T₄：

图6为四种工作模态对应的软启动过程中谐振电流波形，其中I_{r_peak}为初始开关周期的最大电流过冲，I_{r_zvs}为能实现软开关的最小电流，f_{s_initial}为初始启动频率，D为初始开关周期的占空比。

步骤5，根据T₄判断系统稳定性，若T₄≤1/(4f_{s_initial})，表明系统不会发生振荡，软开关不会失效，符合软启动条件，则以f_{s_initial}作为启动频率，以T₁·f_{s_initial}作为初始占空比，在进入第二个周期之后使占空比回到50％，并设置指数降频曲线，逐渐降低开关频率，使系统达到稳态；若T₄>1/(4f_{s_initial})，表明系统会发生振荡，导致软开关失效，则返回步骤1，重新设置I_{r_peak}和I_{r_zvs}，逐渐增加I_{r_peak}和降低I_{r_zvs}，直到LLC系统满足软启动条件。

图7是发生振荡时谐振电流与谐振电容电压波形，振荡判断条件为：若模态4持续时间小于1/4倍初始启动周期，则以计算得到的启动频率启动；若模态4持续时间大于1/4倍初始启动周期，则不满足启动条件，回到步骤1调整设定的电流过冲，直到满足此条件。

针对本发明提出的基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，建立240W的半桥LLC变换器仿真模型，在Matlab/Simulink中对其进行了仿真验证。LLC变换器电路参数如表1所示。

表1 240W半桥LLC变换器仿真模型主要参数

根据表1的数据，满载稳态运行时谐振电流为2A，根据开关器件的应力要求，可以设置最大电流应力为6A。为了尽量降低电流应力，在最大电流应力的基础上留有25％的裕量，即设置电流过冲初始值I_{r_peak}＝4.5A。同样根据表1的数据得到开关器件实现软开关的最小电流为1.63A，留一定的裕量设置最小软开关电流初始值I_{r_zvs}＝2A。经过优化后的启动频率为353kHz，此时占空比为22.1％，且在第二个开关周期之后以50％占空比运行。图8为未经过优化的LLC变换器启动波形，此时仍以353kHz的频率启动，初始占空比为50％。从图7中可以看到：在初始周期中，最大电流过冲为8.1A，是稳态工作电流的4倍，可能触发短路保护；同时，谐振电流和谐振电容电压发生了严重的振荡，在第二个开关周期中谐振电流没有变为正，无法实现软开关，对系统性能造成了较大的影响。

图9为经过参数优化后的LLC变换器启动波形，此时初始占空比为22.1％，可以看到软启动过程中最大电流过冲为设定值4.5A，为稳态工作电流的2.2倍，相比没有经过优化的波形有很大改善；同时谐振电流和谐振电压波形无畸变，每个开关周期中都能实现软开关，大大改善了系统性能，证明了本发明的优越性。

Claims (6)

1.一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，其特征在于，包括采样LLC变换器的输入电压V_in，设置启动过程最大过冲电流I_{r_peak}和最小软开关电流I_{r_zvs}，将V_in、I_{r_peak}和I_{r_zvs}作为初始条件，将一个开关周期的工作状态细分为四个模态，迭代计算四个模态各自的持续时间、结束时的谐振电容电压和谐振电流，根据前三个模态的持续时间计算初始启动频率f_{s_initial}，根据模态4持续时间T₄判断系统稳定性，若T₄≤1/(4f_{s_initial})，表明系统不会发生振荡，则以f_{s_initial}作为启动频率，以T₁·f_{s_initial}作为初始占空比，T₁为模态1的持续时间_，在进入第二个周期之后使占空比回到50％；若T₄>1/(4f_{s_initial})，表明系统会发生振荡，重新设置I_{r_peak}和I_{r_zvs}进行迭代计算，直到系统不会发生振荡；

具体包括以下步骤：

步骤1，采样LLC变换器的输入电压，根据开关器件电流应力设置LLC变换器启动过程最大电流过冲I_{r_peak}，以I_{r_peak}作为模态1结束时谐振电流瞬时值，计算模态1持续时间和模态1结束时的谐振电容电压瞬时值；

步骤2，以模态1结束时的谐振电流瞬时值和谐振电容电压瞬时值为模态2的初始值，计算模态2持续时间和模态2结束时谐振电容电压瞬时值；

步骤3，根据LLC变换器软开关条件，设定最小软开关电流I_{r_zvs}，以I_{r_zvs}和模态2结束时的谐振电容电压瞬时值为模态3的初始值，计算模态3持续时间和模态3结束时的谐振电容电压瞬时值；

步骤4，根据前三种模态持续时间计算初始启动频率f_{s_initial}，以最小软开关电流I_{r_zvs}和模态3结束时的谐振电容电压瞬时值为模态4的初始值，计算模态4持续时间T₄；

步骤5，根据T₄判断系统稳定性，若T₄≤1/(4f_{s_initial})，表明系统不会发生振荡，符合LLC变换器软启动条件，则以f_{s_initial}作为启动频率，以T₁·f_{s_initial}作为初始占空比，在进入第二个周期之后使占空比回到50％，若T₄>1/(4f_{s_initial})，表明系统会发生振荡，从步骤1开始，逐渐增加I_{r_peak}并同时降低I_{r_zvs}，直到LLC变换器满足软启动条件。

2.根据权利要求1所述的一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，其特征在于，步骤1的具体过程如下：

步骤1.1，采样LLC变换器的输入电压V_in，根据开关器件电流应力设置启动过程最大电流过冲I_{r_peak}，以I_{r_peak}作为模态1结束时谐振电流瞬时值，计算模态1的持续时间T₁：

其中，L_r为谐振电感，C_r为谐振电容；

步骤1.2，计算模态1结束时谐振电容电压瞬时值

3.根据权利要求2所述的一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，其特征在于，步骤2的具体过程如下：

步骤2.1，以I_{r_peak}和u_Cr(1)为模态2的初始值，计算模态2的持续时间T₂：

步骤2.2，计算模态2结束时谐振电容电压瞬时值：

4.根据权利要求1或3所述的一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，其特征在于，步骤3的具体过程如下：

步骤3.1，根据LLC变换器软开关条件设置最小软开关电流I_{r_zvs}，以I_{r_zvs}和为模态3的初始值，计算模态3的持续时间T₃：

步骤3.2，模态3结束时谐振电流瞬时值为I_{r_zvs}，计算此时谐振电容电压瞬时值：

5.根据权利要求4所述的一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，其特征在于，步骤4的具体过程如下：

步骤4.1，根据前三个步骤得到的各模态持续时间，计算此时初始启动频率f_{s_initial}：

步骤4.2，以I_{r_zvs}和为模态4的初始值，计算模态4持续时间T₄：

6.根据权利要求5所述的一种基于简化数值模型的LLC变换器软启动参数优化方法，其特征在于，步骤5的具体过程如下：

根据T₄判断系统稳定性，若T₄≤1/(4f_{s_initial})，表明系统不会发生振荡，软开关不会失效，符合软启动条件，则以f_{s_initial}作为启动频率，以T₁·f_{s_initial}作为初始占空比，在进入第二个周期之后使占空比回到50％，并设置指数降频曲线，逐渐降低开关频率，使系统达到稳态；若T₄>1/(4f_{s_initial})，表明系统会发生振荡，导致软开关失效，则返回步骤1，重新设置I_{r_peak}和I_{r_zvs}，逐渐增加I_{r_peak}和降低I_{r_zvs}，直到LLC系统满足软启动条件。