CN113346727A - 一种lcc谐振变换器启动速率优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LCC谐振变换器启动速率优化控制方法，包括以下步骤：初始时刻以轻载模式启动，通过一个辅助逻辑电路计算出第一次达到稳态电压值的时刻并切换到重载模式下，以实现重载模式下的快速启动过程；在负载切换后加入线性受控电压源补偿电路以调节负载突变带来的超调和振荡，从而使输出电压始终稳定在额定值，然后通过PI控制实现零静差跟踪。本发明能够极大的提高LCC谐振变换器在重载模式下的启动速率，且启动和负载切换过程中均没有电流或电压应力过冲现象，因此在保证变换器启动期间不出现电流、电压过冲的前提下实现了最短的启动时间，同时也获得了更小的输出电压纹波，使得变换器性能得到进一步提升。

Description

一种LCC谐振变换器启动速率优化控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体为一种LCC谐振变换器的启动速率优化控制方法。

背景技术

高性能高压直流电源目前广泛应用于医疗X光机、静电除尘、核磁共振、高能物理实验、军事科技(如雷达发射机)等多个领域。然而更快的动态响应速度始终是高压直流电源的研究热点和发展趋势，虽然LCC谐振变换器已成功地在高压直流电源领域获得了广泛的应用，但是现有的动态响应速度无法满足高压直流电源技术指标的快速发展，需要研究新的启动控制策略以提升现有电源的动态响应速度。

但是传统启动控制策略难以兼顾启动速度与谐振腔内电流、电压过冲的问题，除此之外，输出电压的上升时间是高压脉冲电源的关键指标，如何实现更短的上升时间也是此类高压直流电源的发展方向。但是谐振变换器具有开关频率和谐振腔特征频率相接近的特点，如果控制不当，谐振腔极易出现较大的电流、电压过冲，制约着变换器启动速率的进一步提升。

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，它是以LCC谐振变换器的谐振腔的电气参数作为状态变量，以此建立谐振变换器的状态空间数学模型，进而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不同状态轨迹之间的切换实现各种控制目标；但是在基于状态轨迹控制的启动效率优化方面仍需进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LCC谐振变换器启动速率优化控制方法，以提升LCC谐振变换器在重载模式下的启动速率问题。

实现本发明的技术方案为：一种LCC谐振变换器的启动速率优化控制方法，开关K₁与LCC谐振变换器重载下的负载R_H串联；开关K₂与LCC谐振变换器轻载下的负载R_L串联；开关K₄与受控电压源串联后再与开关K₃并联，受控电压源CVS的负极与LCC谐振变换器输出电容C_o的正极连接，受控电压源CVS的正极与开关K₄连接；且开关K₁、K₂的连接端与K₃、K₄的连接端连接；具体步骤为：

设定LCC谐振变换器初始启动状态为轻载模式，开关K₂、K₃闭合，开关K₁、K₄打开，采集输入电压V_in和输出电压V_o，根据理论状态轨迹计算出轻载模式下的开关频率，并将轻载模式下的开关频率作为轻载模式下开关管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动信号；

通过辅助电路数字逻辑门控D锁存器电路判断输出电压V_o第一次达到设定值的阶跃信号，并将此阶跃信号作为开关K₁、K₂、K₃、K₄的控制信号，若输出电压V_o小于等于设定值，则输出低电平信号，否则为高电平信号；

以所述阶跃信号作为工作模式切换点以及线性受控电压源补偿初始点，根据重载模式下输入电压和输出电压，依据理论状态轨迹计算出重载模式下的开关频率，将重载模式下的开关频率作为重载模式下LCC谐振变换器H桥开关管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动信号；

当LCC谐振变换器进入重载模式下稳态运行，切入PI控制实现对输出电压的零静差跟踪。

优选地，根据理论状态轨迹计算出轻载模式下的开关频率的具体方法为：

f_{sw_L}＝1/T_sw

式中，T_sw为开关周期，θ₀、θ₁和θ₂为谐振腔状态轨迹中各段圆弧或椭圆弧所对应的角弧度，

为两元件谐振时的角频率，

为三元件谐振时的角频率。

优选地，设定值为85V。

优选地，依据理论状态轨迹计算出重载模式下的开关频率的具体公式为：

f_{sw_H}＝1/T_sw

式中，T_sw为开关周期，θ₃、θ₄和θ₅为谐振腔状态轨迹中各段圆弧或椭圆弧所对应的角弧度，

为两元件谐振时的角频率，

为三元件谐振时的角频率。

优选地，所述受控电压源CVS的控制电压ΔV_o为参考电压V_ref与输出电压V_o的差值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明基于状态轨迹设定最大谐振限幅电流I_max，从而消除了谐振腔启动过程中电流、电压过冲现象；2)本发明根据辅助电路逻辑关系输出信号控制K₁、K₂、K₃、K₄开关切换状态完成启动阶段轻载到重载模式的最优切换过程并在输出电路中串联一个线性受控电压源以对输出电压进行补偿，进而调节负载突变带来的超调和振荡，使得输出电压上升时间减小到100μs以内，与传统重载模式启动过程控制时间相比极大的加快了变换器的响应速度。

附图说明

图1为LCC谐振变换器启动控制电路示意图。

图2为LCC谐振变换器轻载模式下的状态轨迹示意图。

图3为LCC谐振变换器重载模式下的状态轨迹示意图。

图4为LCC谐振变换器辅助逻辑电路示意图。

图5为未采用本发明启动方式的输出电压波形示意图。

图6为采用本发明启动方式的输出电压波形示意图。

图7为本发明启动方式的谐振腔电压电流波形示意图。

图8为本发明LCC谐振变换器启动到稳态开关频率变化波形示意图。

图9为LCC谐振变换器传统重载启动各波形示意图。

图10为LCC谐振变换器采用本发明启动方法各波形示意图。

具体实施方式

一种LCC谐振变换器启动速率优化方法，结合图1所述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S₁、S₂、S₃和S₄构成，同一桥臂的开关管S₁和S₂、S₃和S₄互补导通，且S₁和S₄为同一驱动信号、S₂和S₃为同一驱动信号。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，经过高频变压器T进行升压隔离(变比为1:n)，变压器二次侧接整流桥的4个二极管D₁、D₂、D₃和D₄组成，经过整流桥后的输出电压采用单电容C_o结构进行滤波，以提供波动小、稳定的输出电压。LCC谐振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。理想开关K₁、K₂、K₃、K₄，受控电压源CVS，重载模式下的负载(即为额定满功率运行下的负载)为R_H，轻载模式负载(即为非额定满功率运行下的负载)为R_L。其中，开关K₁与负载R_H串联连接；开关K₂与负载R_L串联连接；开关K₄与受控电压源串联后再与开关K₃并联；且开关K₁、K₂的接线端点1与K₃、K₄的接线端点2连接；K₄的接线端点1与受控电压源CVS的正极连接；受控电压源CVS的负极和开关K₃的接线端点1共同连接到输出电容C_o的正极；负载R_L和R_H的一端分别连接到开关K₁、K2的接线端点2，另一端共同连接到输出电容C_o的负极。

步骤1：设定LCC谐振变换器初始启动状态为轻载模式，设置峰值谐振电流标幺值为±I_maxN，采集输入电压V_in和输出电压V_o，此时开关K₁、K₂、K₃、K₄的状态为K₂、K₃闭合，K₁、K₄打开；然后根据理论状态轨迹计算出轻载模式下的开关频率，计算过程如下；

结合图2，基于LCC谐振变换器状态轨迹建模分析后，将谐振腔的电流和电压进行标幺化在V_cprN-I_LrN平面上得出其理论状态轨迹，上半周期内的交点分别定义为A、B、C和D，其坐标分别为A(V_AN,-I_maxN)、B(V_BN,0)、C(V_CN,I_CN)，根据对称性，可知D点坐标为(-V_AN,I_maxN)。将AB之间圆弧的半径定义为ρ₂，CD之间圆弧的半径定义为ρ₃。从B点到C点，电容C_p的电压V_Cp(t)由-Vo/n上升到Vo/n，计算公式如下：

对于V_BN和V_CN有如下关系：

对于A、B和C点的坐标(V_AN,-I_maxN)、(V_BN,0)和(V_CN,I_CN)，依据图2中的状态轨迹，其满足如下方程：

ρ₂＝1-V_BN

定义，

V_AN＝BV_BN+C+1

V_CN＝V_BN+A+1

ρ₂＝1-V_BN

在交点A和B之间，谐振腔的状态轨迹为一段圆弧，其对应的角度θ₀为：

在交点B和C之间，谐振腔的状态轨迹为一段椭圆弧，其对应的角度θ₁为：

在交点C和D之间，谐振腔的状态轨迹为一段圆弧，其对应的角度θ₂为：

求解出谐振腔状态轨迹中各段圆弧或椭圆弧所对应的角度θ₀、θ₁和θ₂后，即可得到对应的开关周期T_sw和开关频率f_{sw_L}。

f_{sw_L}＝1/T_sw

式中，T_sw为开关周期，θ₀、θ₁和θ₂为谐振腔状态轨迹中各段圆弧或椭圆弧所对应的角弧度，

为两元件谐振时的角频率，

为三元件谐振时的角频率；其中θ₀其为圆弧

的角弧度，θ₁为椭圆弧

的角弧度，θ₂为圆弧

的角弧度，其余均为中间变量。

将计算得到的此开关频率作为轻载模式下的开关管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动信号。

步骤2：通过辅助电路数字逻辑门控D锁存器电路判断输出电压V_o第一次达到设定值85V的阶跃信号，若小于等于85V，则输出低电平信号；否则为高电平信号，结合图4，具体逻辑功能如下：

1)当V_o＝0，经过逻辑门控锁存器后驱动信号置0，即清0复位；

2)当输出电压第一次达到V_o＝85，经过逻辑门控锁存器后则驱动信号置1，状态锁存；

3)当输出电压第N(N>＝2)次达到V_o＝85，驱动信号仍置1，状态锁存；

4)经过逻辑门控D锁存器后获得阶跃信号，并将此信号分别发送到开关K₁、K₂、K₃、K₄，即此时开关K₁、K₂、K₃、K₄的状态为K₂、K₃打开，K₁、K₄闭合，完成模式切换；

步骤3：以步骤2所述的阶跃信号作为工作模式切换点以及线性受控电压源补偿初始点，其中受控电压源CVS的控制电压ΔV_o为参考电压V_ref与V_o的差值，即该时刻切换到重载模式，继续根据重载模式下输入电压V_in和输出电压V_o，依据理论状态轨迹计算出重载模式下的开关频率，具体计算过程如下；

结合图3，基于LCC谐振变换器状态轨迹建模分析后，将谐振腔的电流和电压进行标幺化在V_cprN-I_LrN平面上得出其理论状态轨迹，上半开关周期内的交点分别定义为E、F、G和H，其坐标定义为E(V_EN，I_EN)、F(V_FN,0)、G(V_GN,I_GN)，根据对称性，可知H点坐标为(-V_EN,-I_EN)。将EF之间圆弧的半径定义为ρ₄，GH之间圆弧的半径定义为ρ₅。从F点到G点，电容C_p的电压V_Cp(t)由-V_o/n上升到V_o/n，计算公式如下：

对于V_FN和V_GN有如下关系

对于F和G点的坐标(V_FN，0)和(V_GN，I_GN)，依据图3中的状态轨迹，其满足如下方程：

ρ₅＝I_maxN

ρ₄＝1-V_FN

定义，

c＝a²b-1+I_maxN(1-b)

V_GN＝V_FN+a+1

ρ₄＝1-V_FN

对于E点的坐标满足：

在交点E和F之间，谐振腔的状态轨迹为一段圆弧，其对应的角度θ₃为：

在交点F和G之间，谐振腔的状态轨迹为一段椭圆弧，其对应的角度θ₄为：

在交点G和H之间，谐振腔的状态轨迹为一段圆弧，其对应的角度θ₅为：

求解出谐振腔状态轨迹中各段圆弧或椭圆弧所对应的角度θ₃、θ₄和θ₅后，即可得到对应的开关周期T_sw和开关频率f_{sw_H}。

f_{sw_H}＝1/T_sw

式中，Tsw为开关周期，θ₃、θ₄和θ₅为谐振腔状态轨迹中各段圆弧或椭圆弧所对应的角弧度，

为两元件谐振时的角频率，

为三元件谐振时的角频率；其中θ₃其为圆弧

的角弧度，θ₄为椭圆弧

的角弧度，θ₅为圆弧

的角弧度，其余均为中间变量。

将计算得到的此开关频率作为重载模式下的开关管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动信号。

本发明中，受控电压源CVS的控制电压对输出电压进行补偿，进而调节负载突变带来的超调和振荡，使输出电压始终保持在额定值，从而完成重载模式下零状态启动到稳态的全过程。

当步骤1、步骤2、步骤3完成后，变换器基本进入重载模式下稳态运行，此时切入PI控制实现对输出电压的零静差跟踪，保证输出电压稳定，减小输出电压纹波。

在本发明实施例中，设定LCC谐振变换器初始启动状态为轻载模式，并通过采集输入电压V_in和输出电压V_o根据理论状态轨迹计算出该模式下的开关频率；

然后通过数字逻辑电路计算轻载模式下输出电V_o第一次达到输出电压设定值85V的时间阶跃信号，即若小于等于85，则输出低电平信号；否则为高电平信号；

在本发明实施例中，以所述阶跃信号作为工作模式切换点以及线性受控电压源补偿初始点，即该时刻切换到重载模式，并通过采集输入电压V_in和输出电压V_o根据理论状态轨迹计算出该模式下的开关频率；同时在线性受控电压源补偿电路下调节负载突变带来的超调和振荡，使输出电压始终保持在额定值；本发明主要解决的是重载模式下的启动速率优化控制方法。

结合图5、6、7可以看出，在本实施例中，采用本发明控制的输出电压上升时间得到了显著的提高，切换过程中电压波形良好，谐振腔内没有出现过压、过流以及冲击等现象。

结合图8、9、10可以看出，在本实施例中，通过基于状态轨迹设定最大谐振限幅电流I_max，从而消除了谐振腔启动过程中电流、电压过冲现象；通过增加辅助逻辑电路获得最优切换阶跃信号控制K₁、K₂、K₃、K₄开关切换状态完成启动阶段轻载到重载模式的最优切换过程并在输出电路中串联一个线性受控电压源以对输出电压进行补偿，进而调节负载突变带来的超调和振荡，使得输出电压上升时间减小到100μs以内，比基于状态轨迹重载模式下的启动时间(约200μs)减小一半。极大的加快了谐振变换器的响应速度，使得高压直流电源整体性能获得进一步提升。

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它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 (5)

1.一种LCC谐振变换器的启动速率优化控制方法，其特征在于，开关K₁与LCC谐振变换器重载下的负载R_H串联；开关K₂与LCC谐振变换器轻载下的负载R_L串联；开关K₄与受控电压源串联后再与开关K₃并联，受控电压源CVS的负极与LCC谐振变换器输出电容C_o的正极连接，受控电压源CVS的正极与开关K₄连接；且开关K₁、K₂的连接端与K₃、K₄的连接端连接；具体步骤为：

设定LCC谐振变换器初始启动状态为轻载模式，开关K₂、K₃闭合，开关K₁、K₄打开，采集输入电压V_in和输出电压V_o，根据理论状态轨迹计算出轻载模式下的开关频率，并将轻载模式下的开关频率作为轻载模式下开关管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动信号；

通过辅助电路数字逻辑门控D锁存器电路判断输出电压V_o第一次达到设定值的阶跃信号，并将此阶跃信号作为开关K₁、K₂、K₃、K₄的控制信号，若输出电压V_o小于等于设定值，则输出低电平信号，否则为高电平信号；

以所述阶跃信号作为工作模式切换点以及线性受控电压源补偿初始点，根据重载模式下输入电压和输出电压，依据理论状态轨迹计算出重载模式下的开关频率，将重载模式下的开关频率作为重载模式下LCC谐振变换器H桥开关管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动信号；

当LCC谐振变换器进入重载模式下稳态运行，切入PI控制实现对输出电压的零静差跟踪。

2.根据权利要求1所述的LCC谐振变换器的启动速率优化控制方法，其特征在于，根据理论状态轨迹计算出轻载模式下的开关频率的具体方法为：

f_{sw_L}＝1/T_sw

式中，T_sw为开关周期，θ₀、θ₁和θ₂为谐振腔状态轨迹中各段圆弧或椭圆弧所对应的角弧度，

为两元件谐振时的角频率，

为三元件谐振时的角频率。

3.根据权利要求1所述的LCC谐振变换器的启动速率优化控制方法，其特征在于，设定值为85V。

4.根据权利要求1所述的LCC谐振变换器的启动速率优化控制方法，其特征在于，依据理论状态轨迹计算出重载模式下的开关频率的具体公式为：

f_{sw_H}＝1/T_sw

式中，T_sw为开关周期，θ₃、θ₄和θ₅为谐振腔状态轨迹中各段圆弧或椭圆弧所对应的角弧度，

为两元件谐振时的角频率，

为三元件谐振时的角频率。

5.根据权利要求1所述的LCC谐振变换器的启动速率优化控制方法，其特征在于，所述受控电压源CVS的控制电压ΔV_o为参考电压V_ref与输出电压V_o的差值。

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