CN112152462B - 一种Buck-Boost LLC两级变换器的能量反馈的轻载控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Buck‑Boost LLC两级变换器能量反馈的轻载控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域。在每个轻载工作周期，微控制器配置定时器进入能量反馈控制模式，并产生一组有相位差的原、副边侧开关信号，进而分别驱动原边侧的开关管与副边侧的整流管，使副边侧的端电压翻转，实现负载的能量通过谐振回路进而传递回源，由此降低输出电压。在进入能量反馈控制模式后，每个周期能量都会部分反馈回原边。本发明通过加入相位调节，解决轻载状态下输出能量过剩的问题，保证了输出电压的稳定性，提高了轻载状态下两级变换器的调压能力。

Description

一种Buck-Boost LLC两级变换器的能量反馈的轻载控制方法
技术领域
本发明涉及Buck-Boost LLC变换器，尤其是一种Buck-Boost LLC两级变换器的能量反馈的轻载控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
LLC谐振变换器能够在全负载范围内实现开关管的零电压开通以及副边侧整流管的零电流关断，具有高效率的特点，但是LLC谐振变换器调压能力弱且常采用脉冲频率调制稳定输出电压，这不利于磁性元件、电磁干扰的设计。而Buck-Boost LLC两级变换器可以经过前级调压来改善，在死区时间内前级和后级的电流的叠加可以增强集成电桥的软开关能力。两级电流在导通期间内部分相互抵消，从而减少了导通损耗并提高了整体效率。Buck-Boost变换器具有升降压的功能，因此减小了开关管的电压应力。因此，Buck-Boost LLC两级变换器开始得到越来越多的关注。
然而，当LLC谐振变换器工作在轻载状态下时，由于寄生电容等因素的影响，会出现输出电压偏高的问题。而Buck-Boost LLC两级变换器工作在轻载状态下也会有输出电压调节的问题，为了克服此问题，现有控制方法主要分为：让电路进入间歇模式的控制方法、增加假负载的控制方法、能量反馈的控制方法。然而，让电路进入间歇模式会引起较大的输出电压纹波，增加假负载则会让能量消耗进而降低变换器的效率。而能量反馈控制的研究目前只限于LLC电路，将能量反馈控制方式直接应用在Buck-Boost LLC级联型拓扑中存在母线电容能量过剩、功率管应力过大、输出纹波较大等问题。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种针对Buck-Boost LLC两级变换器的能量反馈的轻载控制方法，在原边侧开关管之前控制整流管，通过相位差的调整使输出能量部分回馈给原边，提高Buck-Boost LLC两级变换器在轻载下调节输出电压的能力，实现了FSBB(Four Switch Buck Boost，四开关升降压电路)与LLC级联拓扑的能量反馈的轻载控制，解决了Buck-Boost LLC两级变换器轻载下输出电压偏高的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种两级Buck-Boost LLC变换器的能量反馈的控制方法，两级变换器包括前级Buck-Boost变换器与后级LLC谐振变换器级联构成。通过微控制器超前控制整流管，改变开关管的导通顺序并设置整流管与开关管的相移，实现输出能量的反馈。
Buck-Boost LLC两级变换器包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、前级电感组成的四开关管前级Buck-Boost变换器，以及，励磁电感、谐振电感、谐振电容、变压器、第一整流管、第二整流管、输出电容组成的后级LLC变换器，第一开关管与第二开关管串联组成第一桥臂，第三开关管与第四开关管串联组成第二桥臂，前级电感接在第一桥臂中点和第二桥臂中点之间，输入电压源接在第一开关管漏极与原边地之间，第三开关管的漏极经母线电容接地，谐振电感、谐振电容、励磁电感串联组成的串联支路接在第二桥臂中点和原边地之间，变压器原边绕组与励磁电感并联，第一整流管与第二整流管反向串联组成的支路接在变压器副边绕组两端，第一整流管源极与第二整流管源极的连接点接入副边地，输出电容接在副边绕组抽头和副边地之间，负载并接在输出电容两极之间。
在变换器的每个能量反馈控制的工作周期内，控制的具体过程如下：
1)在一般半载或者重载工作情况下，通过控制电路进行PI调节改变第一开关管的占空比稳定输出电压，即PWM调制方式，同时，微控制器计算出第一开关管和第四开关管之间的最优相移phase1，依据最优相移phase1控制第一开关管滞后第四开关管开启，Buck-Boost前级变换器中四开关管的导通顺序为14,13,23,24，第一整流管与第四开关管同步，第二整流管与第三开关管同步，故开关管与整流管间的相移phase2等于0，级联变换器的输出电压Vo经采样分压后得到反馈信号Vf，反馈信号Vf经过ADC模块转换为数字信号输入至控制逻辑模块；
2)控制逻辑模块对Vf与预设的Vref进行比较，若Vf>Vref，且第一开关管的占空比D1小于等于预设最小占空比Dmin，则将变换器转入能量反馈控制模式，；
步骤3)、4)是同时发生的，但为了便于理解，以下作分开说明：
3)对于后级LLC电路，进入能量反馈模式后，控制逻辑模块配置定时器TIME2产生0.5占空比互补的驱动信号D3、D4，配置TIME3产生互补的驱动信号D5、D6，此时，D3不再与D6同步而是滞后于D6相移phase2，phase2越大，反馈能量则越多，即负载越轻，则phase2越大，副边SR桥在LLC之前被控制，以将能量从负载传递到谐振回路，从而降低了输出电压；
4)对于前级Buck-Boost电路，进入能量反馈控制模式后，控制逻辑模块配置定时器TIME1产生预设最小占空比的驱动信号D1＝Dmin以及与D1互补的驱动信号D2，但驱动信号D1不再滞后于驱动信号D4，而是超前驱动信号D4，即将能量从LLC级反馈回源；
5)在经过△t时间后，当Vf<＝Vref时，则将变换器转入正常控制模式，即仍使用PWM模式稳定输出电压。若再次检测到Vf>Vref且第一开关管占空比D1小于等于预设最小占空比Dmin时，则将变换器再次转入能量反馈控制模式。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明通过设计各开关管与整流管的开关顺序，将FSBB与LLC电路的能量反馈模式接合起来，可以有序地将输出能量部分反馈回源。通过相移的加入可以调整反馈能量，提高了变换器在轻载下的调压能力，且具有较小的输出纹波，改善了Buck-Boost LLC两级变换器在轻载下输出电压偏高的问题。
附图说明
图1是Buck-Boost LLC两级变换器能量反馈控制的原理图。
图2是Buck-Boost LLC两级变换器的控制流程图。
图3是LLC谐振变换器的能量反馈波形图。
图4(a)是四开关拓扑源向负载传递能量时的电感电流波形图，图4(b)为采用本申请轻载控制方法改变开关顺序后四开关拓扑工作于能量反馈模式下的电感电流波形图。
图5是重载下Buck-Boost LLC变换器的PWM开关时序图。
图6是本发明轻载控制方法下Buck-Boost LLC变换器的开关时序图。
图中标号说明：S1-S4为第一至第四开关管，Lb为前级电感，Lm为励磁电感，Lr和Cr分别为谐振电感和谐振电容，SR1和SR2为第一、第二整流管，CO为输出电容。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本申请公开的Buck-Boost LLC两级变换器的能量反馈控制原理如图1所示Buck-Boost LLC两级变换器包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、前级电感Lb组成的四开关管前级Buck-Boost变换器，以及，励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器、第一整流管SR1、第二整流管SR2、输出电容CO组成的后级LLC变换器，第一开关管S1与第二开关管S2串联组成第一桥臂，第三开关管S3与第四开关管S4串联组成第二桥臂，前级电感Lb接在第一桥臂中点和第二桥臂中点之间，输入电压源Vin接在第一开关管S1漏极与原边地之间，第三开关管S3的漏极经母线电容Cbus接地，谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm串联组成的串联支路接在第二桥臂中点和原边地之间，变压器原边绕组与励磁电感Lm并联，第一整流管SR1与第二整流管SR2反向串联组成的支路接在变压器副边绕组两端，第一整流管SR1源极与第二整流管SR2源极的连接点接入副边地，输出电容CO接在副边绕组抽头和副边地之间，负载并接在输出电容CO两极之间。
如图1所示，本申请采用包含电压采样电路和微控制器的控制电路对Buck-BoostLLC两级变换器进行能量反馈的轻载控制，电压采样电路由第一电阻R1与第二电阻R2串联组成，用于采集两级变换器输出电压Vf。微控制器对两级变换器输出电压Vf进行模数转换及逻辑控制后得到两级变换器中各开关管以及各整流管的占空比信号，将微控制器输出的占空比信号输入至隔离驱动电路即可得到各管子的驱动信号。图2是两级Buck-Boost LLC变换器的控制流程图。当电路工作在重载情况下，使用PWM方式稳定输出电压，根据负载大小启用PI自动调节开关管S1的占空比D1，同时微控制器计算出最优相移phase1。定义第一开关管S1、第二开关管S2导通的顺序为12，微控制器将控制导通顺序为14，13，23，24，此时S1滞后S4开启，即phase1>0。第一整流管SR1与第四开关管S4同步，第二整流管SR2与第三开关管S3同步，即开关管与整流管间的相移phase2＝0。此时电路从源到负载正向传递能量。
随着负载的减轻，当输出电压采样值Vf大于Vref且D1小于等于最小预设占空比Dmin时，进入能量反馈控制模式，微控制器改变开关管的导通顺序为23,13,14,24，即S1不再滞后于S4开启而是超前开启，即phase1<0。同时根据负载选择开关管与整流管的相移phase2，此时S3滞后SR2开启,即phase2>0。输出能量将部分反馈回谐振回路，进而传递回源。直到输出采样值Vf小于等于Vref时，则重新进入到PWM模式，直到下一次检测并重新进入能量反馈控制模式。本申请通过调节phase2可以抑制输出电容的能量积累，把多余的能量反馈回电源，进而提升轻载调压能力。
图3是全桥LLC谐振变换器的能量反馈波形图。im为励磁电流，ir为谐振电流，Vab为谐振回路两端电压，Vcd为励磁电感两端电压，n为匝比。在t0时，第一开关管S1和第四开关管S4接通。然后将端电压Vab从-Vin反转为Vin，但谐振电流仍然为负。因此，能量从负载传递到源。当第一整流管SR1在t1接通时，励磁电感两端电压Vcd从nVo变为-nVo。由于负谐振电流，负载将吸收能量。相移决定了反馈能量，过大的相移会使得整流管压降变大，出现图示Vcd的上升斜坡。
图4是四开关拓扑不同能量传递方向下的电感电流图。图4(a)为源向负载传递能量时的电感电流波形图，在t0-t1时，电感两端电压等于输入电压Vin，输入电压源对电感进行充电，电感电流增加，变化率为Vin/L，在t1-t2时，输入电压源直接向输出端供能。在t3-t4，电感向输出端释放能量，此时电感两端电压为Vo。在t3至下一周期开始，电感电流在回路中续流，实现开关管ZVS开通。在每个周期中，只有S1导通时能量才会从源传递到电感Lb，定义S1开启期间正向电流围成的面积为Sb，反向电流围成的面积为Sa，输入电压为Vin，周期为T，则输入功率可以表示为：
Pin＝Vin(sb-sa)/T。
图4(b)则为改变了开关顺序后能量反馈的电流波形，类似地，可以看出输入功率为负。而只有S3导通时，电感才与负载连通，能量可以从负载流向源。在0-t3时，S3导通，因为负的电感电流，电流从负载经过电感回流回源，定义S3开启期间正向电流围成的面积为Sc，反向电流围成的面积为Sd，输出电压为Vo，周期为T，则反馈功率可以表示为：
Pfeedback＝Vo(sd-sc)/T。
图5是重载下无相位差Buck-Boost LLC变换器的PWM控制开关时序图，vgs1-vgs6依次代表第一至第四开关管和第一、第二整流管的栅驱动波形。在一般半载或者重载工作情况下，通过控制电路进行PI调节改变第一开关管S1的占空比稳定输出电压，即PWM调制方式，同时微控制器计算出最优相移phase1。定义第一开关管S1、第二开关管S2导通为12，微控制器将控制导通顺序为14,13,23,24，第一整流管SR1与第四开关管S4同步，第二整流管SR2与第三开关管S3同步，故开关管与整流管间的相移phase2等于0。此时电感电流如图4(a)所示，第一开关管S1滞后第四开关管S4导通，以实现四开关电路能量从源到谐振回路的传递，而LLC电路的开关管与相应的整流管同步开启，以实现能量从谐振回路到负载的传递。
图6是本发明轻载控制方法下Buck-Boost LLC变换器的开关时序图。这时电感电流如图4(b)所示，随着负载的减轻，变换器会出现输出电压漂高的问题。此时采用能量反馈的控制方法，将能量依次从负载、谐振回路直至传递回源，减少了过剩的输出能量，提高了变换器的调压能力。大的相移可以提高变换器的轻载调节能力，但也会造成较大的功率损耗。以各开关管的导通顺序为例，在一个工作周期对本发明提出的一种Buck-Boost LLC两级变换器的能量反馈的轻载控制方法的具体步骤说明如下：
步骤1：输出电压采样值Vf大于Vref且D1小于等于最小预设占空比Dmin时，微控制器判定并进入能量反馈控制模式。
步骤2：微控制器根据负载查表计算等得到第一开关管S1和第四开关管S4的相移phase1以及第三开关管S3和第二整流管SR2的相移phase2。其中步骤3、4是同时发生的，但为了便于理解，以下分开说明。
步骤3：对相移phase1的设置如下：第一开关管S1和第二开关管S2互补导通，第三开关管S3和第四开关管S4互补导通，对半周期进行描述。微控制器以最小占空比Dmin先开启开关管S1，再经过相移phase1后，才开启第四开关管S4。经过最小占空比Dmin后关闭第一开关管S1而开启第二开关管S2。
步骤4：对相移phase2的设置如下：第三开关管S3和第四开关管S4互补导通，第一整流管SR1和第二整流管SR2互补导通，对半周期进行描述。微控制器以0.5占空比开启第二整流管SR2，经过相移phase2后，才开启第三开关管S3。再经过半个周期后，关闭第二整流管SR2，以0.5占空比开启第一整流管SR1。
步骤5：输出能量实现反馈，输出电压下降，当输出电压采样值Vf小于Vref时，能量反馈控制模式结束，微控制器判定并进入PWM控制方式。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种Buck-Boost LLC两级变换器的能量反馈的轻载控制方法，所述Buck-Boost LLC两级变换器包括前级Buck-Boost变换器和后级LLC变换器，所述Buck-Boost变换器包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、前级电感，第一开关管与第二开关管串联组成第一桥臂，第三开关管与第四开关管串联组成第二桥臂前级电感接在第一桥臂中点和第二桥臂中点之间，输入电压源接在第一开关管漏极与原边地之间，第三开关管的漏极经母线电容接地，所述LLC变换器包括励磁电感、谐振电感、谐振电容、变压器、第一整流管、第二整流管、输出电容，谐振电感、谐振电容、励磁电感串联组成的串联支路接在第二桥臂中点和原边地之间，变压器原边绕组与励磁电感并联，第一整流管与第二整流管反向串联组成的支路接在变压器副边绕组两端，第一整流管源极与第二整流管源极的连接点接入副边地，输出电容接在副边绕组抽头和副边地之间，负载并接在输出电容两极之间；
其特征在于，所述能量反馈的轻载控制方法，实时采集两级变换器的输出电压，在输出电压超过参考值且第一开关管占空比未超过最小占空比时，依据第一开关管超前第四开关管开启以及第三开关管滞后第二整流管开启的原则变换第一开关管至第四开关管的开关顺序，依据负载接入情况选择第三开关管滞后第二整流管开启的相移，在输出电压未超过参考值时切换至PWM模式，
依据第一开关管超前第四开关管开启以及第三开关管滞后第二整流管开启的原则变换得到的第一开关管至第四开关管开关顺序为：第二开关管和第三开关管导通，第一开关管和第三开关管导通，第一开关管和第四开关管导通，第二开关管和第四开关管导通，
所述PWM模式下，依据负载接入情况选择第一开关管滞后第四开关管开启的相移与第一开关管的占空比，经过第一开关管滞后第四开关管开启的相移后驱动第四开关管，同步驱动第一整流管与第四开关管，同步驱动第二整流管与第三开关管，第一开关管至第四开关管开关顺序为：第一开关管和第四开关管导通，第一开关管和第三开关管导通，第二开关管和第三开关管导通，第二开关管和第四开关管导通。
2.实现权利要求1所述Buck-Boost LLC两级变换器的能量反馈的轻载控制方法的系统，其特征在于，包括：
电压采样电路，实时采集两级变换器的输出电压；及，
微控制器，在输出电压超过参考值且第一开关管占空比未超过最小占空比时，生成依据第二开关管和第三开关管导通、第一开关管和第三开关管导通、第一开关管和第四开关管导通、第二开关管和第四开关管导通这一顺序导通第一至第四开关管的占空比信号以及第二整流管超前第三开关管导通的整流管占空比信号，输出电压未超过参考值时生成PWM模式的占空比信号。
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