CN113346774B - 一种基于输入电压反馈的llc变换器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于输入电压反馈的LLC变换器控制方法，包括采集输出电流io，并将瞬时采集的输出电流io与给定输出电流iref做差产生PI调节输入信号，构成输出电流反馈环路，使得LLC变换器按照给定输出电流iref进行输出电流；采集LLC变换器的输入电压uin，将输入电压uin与平均输入电压uave做差产生前馈信号；将电压前馈和电流反馈进行结合，按照控制策略调整工作频率，实现通过降低输出电压增益控制输出波纹，抑制LLC变换器输出波形的纹波，本发明将由电压传感器直流侧电容输入参与前馈，可有效抑制LLC输出波形的低频纹波，尤其是抑制LLC输出波形的二次谐波，控制方法简单，易于实现。

Description

一种基于输入电压反馈的LLC变换器控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术应用领域，尤其是输入电压前馈控制方法领域。
背景技术
随着电力电子技术的飞速发展，开关变换器相关技术也随之进步，更多的拓扑结构和控制方法被提出，尤其是软开关变换器由于其ZVS、ZCS特性在现代电源技术中得到了广泛的应用，其中LLC变换器解决了高输入电压情况下变换器效率低的问题，且具有以下优点：
(1)副边二极管电压应力低；
(2)采用频率控制，LLC谐振变换器中的变压器没有直流偏置现象；
(3)在在轻载和满载的情况下，均可实现零电压开关。
但是由于直流侧电容存在充放电的过程，当电网电压大于直流侧平均输入电压uave时，电容充电；当电网电压小于直流侧平均输入电压uave时，电容放电；反映在输入电压波形上则可发现波形含有低频谐波，二倍频谐波尤为明显，且会由输入侧引入到输出负载侧。
发明内容
为了解决上述直流侧电压波动带来的输出电流波动问题，本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于输入电压反馈的LLC变换器控制方法,包括以下步骤，
S1、采集输出电流io，并与给定输出电流iref做差产生PI调节输入信号，构成电流反馈，使得LLC变换器按照给定输出电流iref进行输出电流；
S2、采集LLC变换器的输入电压uin，将输入电压uin与平均输入电压uave做差产生电压前馈信号，构成电压前馈；
S3、将电压前馈相和电流反馈相进行结合后，并根据输入电压uin和平均输入电压uave之间满足的控制策略调整工作频率，进而降低输出电压增益、控制输出波纹。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中电压前馈和电流反馈的结合方式为将电流反馈项与电压前馈项相乘，得到用于工作频率调节的控制变量。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中的控制策略包括以下步骤，
S31、获取LLC变换器的输出电压和频率的增益曲线，并确定满足约束条件的工作频率范围；
S32、在此工作频率范围内，当输入电压uin高于平均输入电压uave时，提高开关管工作频率；当输入电压uin低于平均输入电压uave时，降低开关管工作频率。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S31中约束条件为工作频率增加电压增益下降，工作频率减小电压增益提高。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S31的中获取LLC变换器的输出电压和频率的增益曲线，包括以下步骤；
S311、根据LLC谐振电路的工作条件计算出该LLC谐振电路的谐振电感、励磁电感和谐振电容的相关参数；
S312、根据LLC谐振电路的实际参数算出输出电压增益Gr与工作频率f之间的关系。
作为本发明的进一步优化方案，步骤S311中的工作条件包括LLC谐振电路的原边侧输入直流电压、不控整流输出直流电压、副边侧输出直流电压、输出电流、最大开关频率和谐振频率。
作为本发明的进一步优化方案，步骤S312中输出电压增益Gr与工作频率f的关系满足
Figure BDA0003162105860000031
式中，
Figure BDA0003162105860000032
其中，fn表示工作频率f与谐振频率fr1的比值，λ表示谐振电感Lr与励磁电感Lm比值，Q表示品质因数，Re表示副边侧负载的等效电阻，Ro表示副边侧负载的实际电阻，n表示隔离变压器原副边的匝数比。
本发明的有益效果在于：
1)本发明控制方法通过将电压前馈与电流反馈结合，进而调节频率，使电压增益下降，进而使输入电压稳定在平均电压附近，进而波动减小，降低输出波纹。
附图说明
图1是本发明的LLC变换器的电路框图及控制回路；
图2是本发明的LLC谐振变换器的等效电路图；
图3是LLC等效电路的增益曲线；
图4、5是采用按传统方式进行输出电流PI调节反馈的输出电压、输出电流波形图；
图6、7是分别为本发明实施例的输出电压、输出电流波形图；
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1至图7所示的一种基于输入电压反馈的LLC变换器控制方法，
一种抑制直流侧低频频波动的LLC变换器的输入电压前馈控制方法，包括以下步骤：
S1、采集输出电流，并与给定输出电流做差产生PI调节输入信号，构成电流反馈，使得LLC变换器按照给定输出电流进行输出电流；
S2、采集LLC变换器的输入电压，将输入电压与平均输入电压做差产生电压前馈信号，构成电压前馈；
S3、将电压前馈相和电流反馈相进行结合后，并根据输入电压和平均输入电压之间满足的控制策略调整工作频率，进而降低输出电压增益、控制输出波纹。
本发明可有效减少LLC变换器输出的谐波含量，尤其是抑制LLC变换器输出的低频偶次谐波含量。
图1是LLC变换器框图及其控制回路；
图中uin为直流侧输入瞬时电容电压，uO为输出电压，iO为输出电流，iref为给定输出电流，uave为直流侧平均输入电压。
由于直流侧电容存在充放电的过程，当电网电压大于直流侧平均输入电压uave时，电容充电；
当电网电压小于直流侧平均输入电压uave时，电容放电。
反映在输入电压波形上则可发现，波形含有低频谐波，二倍频谐波尤为明显，且会由输入侧引入到输出负载侧。
图2为LLC等效电路，由等效电路可得输入阻抗为
Figure BDA0003162105860000051
增益为
Figure BDA0003162105860000052
其中，
Figure BDA0003162105860000053
其中，fn表示工作频率f与谐振频率fr1的比值，λ表示谐振电感Lr与励磁电感Lm比值，Q表示品质因数，Re表示副边侧负载的等效电阻，Ro表示副边侧负载的实际电阻，n表示隔离变压器原副边的匝数比。
获取LLC变换器的输出电压和频率的增益曲线，需要先获得LLC谐振电路的原边侧输入直流电压、不控整流输出直流电压、副边侧输出直流电压、输出电流、最大开关频率和谐振频率，然后由上述具体的参数计算得出该LLC谐振电路的谐振电感、励磁电感和谐振电容的相关参数；进而得到最终的增益曲线；
则增益曲线如图3所示，采用输入电压前馈方式，根据图3LLC增益曲线可知，在频率f/fr＝＝1附近，增大频率则增益减小，降低频率则增益增大；则采用电压前馈，在输入电压uin高于平均输入电压uave时，提高开关管工作频率；在输入电压uin低于平均输入电压uave时，降低开关管工作频率；
其中，
Figure BDA0003162105860000061
k为大于0的特定系数。
电流经作差与PI调节输出后，与电压前馈项输出相乘，最后通过DSP控制工作频率的调节，进而控制增益改变，进而使输出纹波降低；
具体的，将电压前馈项记为OUT_U_PI，将电流PI调节输出记为OUT_I_PI，将两者相乘后作为频率调节的控制变量OUT_PI，OUT_PI与特定参数A(固定数字)相加得到变量OUT_PI_DIV，之后用LLC初始设置参数B(固定数字)除以OUT_PI_DIV得到最终控制频率的参数C，该参数的变化即反映为频率的变化，实现对电流电压纹波的控制；
即B/(OUT_U_PI*OUT_I_PI+A)＝B/(OUT_PI+A)＝B/OUT_PI_DIV＝C。
本发明通过电压前馈相与电流相反馈结合，进而调节频率，使电压增益下降，进而使输入电压稳定在平均电压附近，进而波动减小，纹波降低；
与现有技术中电压反馈不同的是，现有技术中大多直接将电压用于前馈控制进行增益调节，而本发明的电压前馈项并不直接用于增益调节，前馈项还需与电流PI调节输出相乘，使电流输出为给定电流，降低纹波。
为了验证本实施例所述控制方法的输出特性，将本实施例所述的控制方法与按传统方式单电流PI调节进行控制的方法分别用于LLC变换器系统中，在中点直流侧输入平均电压相同的情况下，运行LLC变换器系统，得到以下实验结果：
(1)比较图4、图6可以看出，采用电压前馈方式控制的输出电压明显纹波要小于采用传统PI控制输出电压纹波；
(2)比较图5、图7采用本专利所发明的电压前馈方式控制的输出电流明显纹波要小于采用传统PI控制输出电流纹波，二次谐波峰值明显小于传统控制的输出波形。
显然，在直流侧输入电压相同的情况下，本实施例的输出纹波特性要优于按传统方式进行电流PI调节控制方法的纹波特性；本实施例证明输入侧含有低频纹波时，本方法可以有效抑制LLC变换器输出波形的纹波，尤其是LLC变换器输出的二次谐波含量。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于输入电压反馈的LLC变换器控制方法,其特征在于：包括以下步骤，
S1、采集输出电流io，并和给定输出电流iref做差产生PI调节输入信号，构成电流反馈，使得LLC变换器按照给定输出电流iref进行输出；
S2、采集LLC变换器的输入电压uin，将输入电压uin与平均输入电压uave做差产生电压前馈信号，构成电压前馈；
S3、将所述电流反馈项与所述电压前馈项相乘后，并根据输入电压uin和平均输入电压uave之间满足的控制策略调整工作频率，进而降低输出电压增益、控制输出波纹；
所述控制策略为：在满足特定条件的工作频率范围内，当输入电压uin高于平均输入电压uave时，提高开关管工作频率；当输入电压uin低于平均输入电压uave时，降低开关管工作频率；该特定条件为工作频率增加电压增益下降，工作频率减小电压增益提高；
所述特定条件的工作频率范围的选取包括以下步骤：
S31、获取LLC变换器的输出电压和频率的增益曲线，包括：
S311、根据LLC谐振电路的工况参数计算出该LLC谐振电路的谐振电感、励磁电感和谐振电容的相关参数，所述工况参数包括LLC谐振电路的原边侧输入直流电压、不控整流输出直流电压、副边侧输出直流电压、输出电流、最大开关频率和谐振频率；
S312、根据LLC谐振电路的实际参数算出输出电压增益Gr与工作频率f之间的关系；
所述输出电压增益Gr与工作频率f的关系满足
Figure FDA0003803399380000021
式中，
Figure FDA0003803399380000022
Figure FDA0003803399380000023
其中，fn表示工作频率f与谐振频率fr1的比值，λ表示谐振电感Lr与励磁电感Lm比值，Q表示品质因数，Re表示副边侧负载的等效电阻，Ro表示副边侧负载的实际电阻，n表示隔离变压器原副边的匝数比；
S32、确定满足约束条件的工作频率范围。
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