CN112117909A - 一种Buck+LLC级联拓扑的闭环控制方法 - Google Patents

一种Buck+LLC级联拓扑的闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种Buck+LLC级联拓扑的闭环控制方法,具体包括以下步骤:步骤一、由数字控制器分别对Buck+LLC级联拓扑的变压器初级端与次级端的母线电压进行采样;步骤二、检测输入所述Buck+LLC级联拓扑的系统输入电压,当系统输入电压发生变化时,对Buck环节的占空比进行调整,使初级端母线电压在数字控制器中被钳位为预定值;数字控制器基于次级端的母线电压,对初级端Buck+LLC级联拓扑进行反馈控制;步骤三、当系统输出电压需要调整时,在数字控制器基于前述步骤得到被钳位的初级端母线电压的适合值时,通过LLC变频控制降压;所述变频时所述LLC工作于略大于谐振频率处调压。

Description

一种Buck+LLC级联拓扑的闭环控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源领域,具体涉及一种隔离型级联拓扑的闭环稳压控制方法以实现宽范围输出时的高效率。
背景技术
在工业电子和消费电子领域,大量被使用的开关电源被要求具有高稳定性、高效率、高功率密度、小体积和轻量化的特点,以确保系统能够持续安全可靠的工作,并有效降低其体积与重量。随之诞生了全砖、半砖等电源模块的产品标准,在相同的尺寸以及封装下对电源的功率密度提出了更高的要求。
为了提高系统的功率密度,开关频率的提高与系统效率的提升都必不可少,一方面,开关频率提高有利于电源中无源器件的减少,另一方面却增大了开关损耗,这对开关电源的拓扑也提出了新的要求。同时,高频状态下,采用高频变压器对系统进行电气隔离从而提升其工作安全性也是目前亟待解决的问题。为了降低系统中开关管的开关损耗,针对系统的电气隔离问题,目前已有的在降压模块电源内的设计方案通常是采用Buck+LLC的级联拓扑,通过引入LLC谐振电路,一方面解决了系统电气隔离的问题,另一方面引入了原边MOS管的零电压开关,大大降低了开关损耗,通过引入Buck电路,改善了单LLC变换器由于需要变频控制,不适用于宽输入宽输出范围的情况(宽范围工作导致频率偏离谐振点较远,变频范围过宽),也改善了LLC变换器电流控制复杂的难题(LLC电流为交流正弦,电流环不易采样且控制复杂,在Buck变换器上可以引入峰值电流控制提高响应速度)以及系统轻载下控制策略难的问题。
然而,在通常的控制策略执行过程中,系统的工作状态为,将后级LLC变换器定频工作,将LLC工作于效率最优点谐振频率处定频工作,此时LLC变换器可以视为一个固定变比的直流变压器;采样级联拓扑的输出电压,通过调整数字控制器输出的PWM的占空比来调整Buck电路的电压变比来实现闭环稳压。上述工作方式尚存在诸如以下的一些缺点:
(1).该级联拓扑的整体效率依赖于Buck输出电压(后面称母线电压)的选取,母线电压越大,则Buck级流过的电流应力越小,相应的由Buck变换器带来的硬开关损耗则减少,对系统效率影响较为明显。
(2).系统的母线电压随输出电压的减小而降低,当母线电压较低时,会导致系统在重载下失去软开关,重载效率降低。当母线电压降低到一定程度时,LLC变换器励磁电流在死区时间内难以保证对MOS管并联电容充放电,系统则会在低输出电压的情况下完全失去零电压软开关,整体效率骤减。
发明内容
为克服上述现有技术中Buck+LLC级联拓扑的传统电压环闭环控制时会失去软开关且效率低的问题,本发明提供了一种Buck+LLC级联拓扑的闭环控制方法,具体包括以下步骤:
步骤一、由数字控制器分别对Buck+LLC级联拓扑的变压器初级端与次级端的母线电压进行采样;
步骤二、检测输入所述Buck+LLC级联拓扑的系统输入电压,当系统输入电压发生变化时,对Buck环节的占空比进行调整,使初级端母线电压在数字控制器中被钳位为预定值;数字控制器基于次级端的母线电压,对初级端Buck+LLC级联拓扑进行反馈控制;
步骤三、当系统输出电压需要调整时,在数字控制器基于前述步骤得到被钳位的初级端母线电压的适合值时,通过LLC变频控制降压;所述变频时所述LLC工作于略大于谐振频率处调压。
进一步地,所述方法中采用的Buck+LLC级联拓扑具体由以下部件组成:
采用非隔离的方式第一级Buck电路,其中MOSFET和续流二极管采用SiC器件;采用隔离变换方式的第二级LLC谐振电路,由电压型全桥结构、谐振网络和整流电路组成。
进一步地,采用的Buck+LLC级联拓扑设计为:额定功率500W,输入电压160VDC-420VDC,额定输入电压为270VDC,输出电压24V-40V直流可调,额定输出31.5V;其具体工作参数为:
谐振频率:fr=250kHz;
输出线路压降:Vwire=0.3V;
输出同步整流管压降:
Vd=0.1V;副边输出电压额定值:
VS=Vonom+Vwire+Vd=31.9V;匝数比NPS=5/3=1.667。
进一步地,使初级端母线电压在数字控制器中被钳位的所述预定值为140V;当系统输出电压需要调整时,被钳位的初级端母线电压的适合值不小于110V。
有益效果
上述本发明所提供的Buck+LLC级联拓扑的新型闭环控制方法相对于现有技术,可以保证系统在输入电压波动情况下仅Buck环节调整,处于效率最优工作状态,避免了定频不准确而在两种感性区域内波动,且改善了输出电压较低时,或母线电压较低且系统处于重载时失去ZVS特性从而导致的效率很低的问题,显著改善模块效率,提升电源模块的可靠性。
附图说明
图1示出了Buck+LLC级联拓扑的电路原理图;
图2示出了现有技术中针对Buck+LLC级联拓扑的电路控制策略;
图3示出了执行现有控制策略时Buck+LLC级联拓扑的电路硬开关波形;
图4示出了本发明所提供的Buck+LLC级联拓扑控制策略;
图5示出了与本发明的优选实例对应的LLC变频控制频率与电压增益图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解,下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明,而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
如图4所示,本发明所提供的一种Buck+LLC级联拓扑的闭环控制方法,具体包括以下步骤:
步骤一、由数字控制器分别对Buck+LLC级联拓扑的变压器初级端与次级端的母线电压进行采样;
步骤二、检测输入所述Buck+LLC级联拓扑的系统输入电压,当系统输入电压发生变化时,对Buck环节的占空比进行调整,使初级端母线电压在数字控制器中被钳位为预定值;数字控制器基于次级端的母线电压,对初级端Buck+LLC级联拓扑进行反馈控制;
步骤三、当系统输出电压需要调整时,在数字控制器基于前述步骤得到被钳位的初级端母线电压的适合值时,通过LLC变频控制降压;所述变频时所述LLC工作于略大于谐振频率处调压。
在本发明的一个优选实施方式中,选用的Buck+LLC级联拓扑电路结构如图1所示,第一级Buck电路采用非隔离的方式,通过提高该部分开关频率,可以有效减小该部分电路小;同时,MOSFET和续流二极管采用了SiC器件,提高了该部分电路的效率。第二级LLC谐振电路采用隔离变换方式,LLC谐振电路主要由电压型全桥结构、谐振网络和整流电路组成。
这种两级变换方式具有以下优点:
(1).原边开关管可以全负载范围内实现软开关。原边开关管ZVS只决定于死区时间大小和变压器激磁电感的值,与负载无关;
(2).LLC工作于谐振点f和之前一段ZVS区域时,二极管整流时不存在反向恢复和电压过冲问题,同步整流时同步整流管的关断损耗非常小且可以选择耐压更小的MOSFET,这样其导通损耗也会减小;
(3).LLC所需的谐振元件可以利用变压器的漏感和激磁电感实现,可以集成在变压器中,进一步提高变换器功率密度;
(4).LLC是一种串联谐振变换器,副边不需要输出滤波电感,节省了变换器的体积和损耗,应用简单方便。
以上优点可以提高电源的功率密度,缩小电源的体积,同时采用模块化设计,提高电源的测试性。
在本发明的一个优选实施方式中,采用的Buck+LLC级联拓扑设计为:额定功率500W,输入电压160VDC-420VDC,额定输入电压为270VDC,输出电压24V-40V直流可调,额定输出31.5V;其具体工作参数为:
谐振频率:fr=250kHz;
输出线路压降:Vwire=0.3V;
输出同步整流管压降:
Vd=0.1V;副边输出电压额定值:
VS=Vonom+Vwire+Vd=31.9V;匝数比NPS=5/3=1.667。
上述结构Buck+LLC级联拓扑在应用现有的如图2所示的控制策略时,整体效率依赖于Buck输出电压(后面称母线电压)的选取,母线电压越大,则Buck级流过的电流应力越小,相应的由Buck变换器带来的硬开关损耗则减少,对系统效率影响较为明显。并且系统的母线电压随输出电压的减小而降低,当母线电压较低时,会导致系统在重载下失去软开关,重载效率降低。当母线电压降低到一定程度时,LLC变换器励磁电流在死区时间内难以保证对MOS管并联电容充放电,系统则会在低输出电压的情况下完全失去零电压软开关,整体效率骤减。
以上述参数的具体拓扑结构为例,选取的变压器变比为5:3:3,在级联拓扑工作时,当输出电压为24V时,母线电压为24*2*5/3仅为约80V,而输出电压为40V时母线电压为40*2*5/3约为135V,考虑到线路压降等情况,实际工作时母线电压还会更大,Buck级占空比在40V输出时已经逼近90%,处于设计极限情况。但是输出电压很小时,母线电压仅为80V,观测电路LLC开关管的驱动与DS电压波形可以发现,在额定情况重载下与24V输出情况下,电源均失去软开关,如图3所示,图中深蓝色为驱动波形,浅蓝为DS波形,紫色为谐振电流波形。可以看到,即便LLC工作于谐振频率附近处,无论如何调整死区时间与谐振电流大小(调整谐振电感感量)都无法实现ZVS零电压开关。
相对应地,在本发明的一个优选实施方式中,对于本发明所采用的Buck+LLC级联拓扑,实行最低母线电压控制,以上述500W样机指标为例,增加了Buck级的母线电压采样,事实上,为了实现模块电压的软启动,即便是第一种控制策略仍然有Buck母线电压采样,此处并未在硬件电路上有所增加。具体实施方式为:当系统的输入电压变化时,仅调整Buck环节的占空比,且Buck环节的输出电压即母线电压在数字控制器中被钳位为最低140V,此时LLC在谐振点处定频工作,可以保证系统在输入电压波动情况下仅Buck环节调整,处于效率最优工作状态。当系统输出电压需要调整时,Buck环节经过试验测试,最低母线电压在本样机中被限制为110V,而如果检测到Buck母线电压被钳位,则通过LLC变频控制进一步降压,避免了Buck电路降压比过大而损失的效率。变频时使LLC工作于略大于谐振频率处调压,避免了定频不准确而在两种感性区域内波动,且改善了输出电压较低时,或母线电压较低且系统处于重载时失去ZVS特性从而导致的效率很低的问题。图5示出了基于本发明所提供的控制策略对LLC变频控制频率与电压增益关系的改进效果。经过测试,在输入270V输出31.5V的额定工作点在,通过改善后的控制策略,满载效率提升约1%。显著改善模块效率,提升电源模块的可靠性。
应理解,本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上对本发明的实施方式进行了说明。但是,本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种Buck+LLC级联拓扑的闭环控制方法,具体包括以下步骤:
步骤一、由数字控制器分别对Buck+LLC级联拓扑的变压器初级端与次级端的母线电压进行采样;
步骤二、检测输入所述Buck+LLC级联拓扑的系统输入电压,当系统输入电压发生变化时,对Buck环节的占空比进行调整,使初级端母线电压在数字控制器中被钳位为预定值;数字控制器基于次级端的母线电压,对初级端Buck+LLC级联拓扑进行反馈控制;
步骤三、当系统输出电压需要调整时,在数字控制器基于前述步骤得到被钳位的初级端母线电压的适合值时,通过LLC变频控制降压;所述变频时所述LLC工作于略大于谐振频率处调压。
2.如权利要求1所述的闭环控制方法,其特征在于:所述方法中采用的Buck+LLC级联拓扑具体由以下部件组成:
采用非隔离的方式第一级Buck电路,其中MOSFET和续流二极管采用SiC器件;采用隔离变换方式的第二级LLC谐振电路,由电压型全桥结构、谐振网络和整流电路组成。
3.如权利要求2所述的闭环控制方法,其特征在于:采用的Buck+LLC级联拓扑设计为:额定功率500W,输入电压160VDC-420VDC,额定输入电压为270VDC,输出电压24V-40V直流可调,额定输出31.5V;其具体工作参数为:
谐振频率:fr=250kHz;
输出线路压降:Vwire=0.3V;
输出同步整流管压降:
Vd=0.1V;副边输出电压额定值:
VS=Vonom+Vwire+Vd=31.9V;匝数比NPS=5/3=1.667。
4.如权利要求3所述的闭环控制方法,其特征在于:使初级端母线电压在数字控制器中被钳位的所述预定值为140V;当系统输出电压需要调整时,被钳位的初级端母线电压的适合值不小于110V。
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