CN113765354B - 一种llc谐振变换器线性补偿的软启动方法 - Google Patents

一种llc谐振变换器线性补偿的软启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LLC谐振变换器线性补偿的软启动方法，包括如下步骤：步骤S1：设置软启动控制模型，其中，设置占空比的系统增益模型并根据该模型设计占空比D的变化函数；以及设置频率的系统增益模型，并控制输出的频率增益使系统增益为线性，以此得到频率f的变化函数；步骤S2：系统启动后，利用步骤S1设置的软启动控制模型控制PWM信号以控制开关管的状态实现软启动。本发明采用新的软启动控制模型，通过同时控制PWM的占空比和开关频率，实现快速的占空比从0到50％的变化，且电流增益变化在可控范围内，有效减小了开关损耗。同时引入频率的规律递减进行增益补偿，使得总体增益能够线性的上升，使得整个系统电流平稳增加。

Description

一种LLC谐振变换器线性补偿的软启动方法
技术领域
本发明涉及LLC谐振变换器技术领域，尤其涉及一种LLC谐振变换器线性补偿的软启动方法。
背景技术
LLC谐振变换器结构简单，本身结构便于磁集成，工作频率高，故能实现较高的功率密度。因为其本身带有的谐振器件工作时能够构成谐振实现软开关，所以LLC谐振变换器的转换效率很高，但同时，谐振器件在上电启动时，电容进行充电，使得此时会产生较大的冲击电流，损害电路系统和用电设备。软启动技术是有效减小谐振变换器启动时的冲击电流最常用的方法。
现有技术中，总共有如下几种软启动方案，第一种是为了增加启动时的谐振阻抗，占空比保持在50％，通过远高于谐振频率的开关频率启动，以减小启动电流，然后逐渐减小到谐振频率。然而，较高的启动频率也不能保证启动电流很小，而且较高的频率对驱动电路要求较高，会相应增加很多成本，高频启动的软启动时间也比较长。第二种是保持谐振频率不变，通过调节占空比从0增加到50％。这种方法调节时间仍然比较长，会使得谐振变换器在工作在占空比低于50％时，无法实现软开关，增加开关功耗，降低效率。第三种同时调节工作频率和占空比的方法，占空比从0增加到50％，频率从最高工作频率，减小到谐振频率，两者变换过程可以是线性变换或者指数变换。第三种虽然结合了前两种方案，但是调节过程中的增益不能线性变换，电流有毛刺，仍然对开关器件有较大冲击，而且占空比调节时间过长，损耗也没有减小。
总之，现有的软启动方案存在诸多技术问题，比如：启动电流不能控制在小于谐振电流的范围内，占空比调节时间过久，损耗过大，增益不是线性变化，电流有毛刺现象等。
故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种LLC谐振变换器线性补偿的软启动方法，采用新的软启动控制模型，通过同时控制PWM的占空比和开关频率，实现快速的占空比从0到50％的变化，且电流增益变化在可控范围内，有效减小了开关损耗。同时引入频率的规律递减进行增益补偿，使得总体增益能够线性的上升，使得整个系统电流平稳增加。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种LLC谐振变换器线性补偿的软启动方法，包括如下步骤：
步骤S1：设置软启动控制模型，其中，设置占空比的系统增益模型并根据该模型设计占空比D的变化函数；以及设置频率的系统增益模型，并控制输出的频率增益使系统增益为线性，以此得到频率f的变化函数；
步骤S2：系统启动后，利用步骤S1设置的软启动控制模型控制PWM信号以控制开关管的状态实现软启动，其中，步骤S2至少包括如下步骤：
步骤S21：设置软启动控制模型初始参数，其中，PWM的开关频率设置为最高开启频率fm；其占空比设置为最低占空比0％；
步骤S22：根据设定参数进行启动，软启动控制模型同时调节PWM的开关频率和占空比；
步骤S23：当占空比达到饱和后，仅对开关频率进行调节，直至开关频率为谐振频率；软启动结束；
所述步骤S1中，占空比D的系统增益模型为：
其中，M为系统增益，a,k为参考调节参数，λ＝1/H＝Lr/Lm，Q＝Zo/Rac，
为了能够使增益能够线性平稳变化，设置占空比D变化函数为:
其中，Dmax是最大占空比，a、b、c为调节参数，为达到最大占空比所用的时间，t是时间变量；
频率的系统增益模型中，系统归一化增益M为：
或
其中，fn为归一化的频率，即，fn＝f/fr；
fr为谐振频率，其计算公式为：
上式中，Lr为谐振电感的感抗，Cr为谐振电容容值；
设置频率f的变化函数使系统增益为线性，公式如下：
上式中，tp为达到谐振频率所用的时间，fm为能设置的最大开关频率。
作为进一步的改进方案，fm设置为2fr-3fr。
作为进一步的改进方案，占空比D的系统增益模型根据实验数据得到。
与现有技术相比较，本发明采用新的软启动控制模型，通过同时控制PWM的占空比和开关频率，实现快速的占空比从0到50％的变化，且电流增益变化在可控范围内，有效减小了开关损耗。同时引入频率的规律递减进行增益补偿，使得总体增益能够线性的上升，即增益曲线为M＝ht，使得整个系统电流平稳增加。采用本发明方法，能够实现LLC谐振变换器启动的快速增益，且启动电流小，电路损耗较小，启动时间短。
附图说明
图1为本发明中LLC谐振变换器的电路模型原理图。
图2为本发明LLC谐振变换器线性补偿的软启动方法的流程框图。
图3为定频控制时的增益曲线。
图4为本发明另一种优选实施方式的LLC谐振变换器的电路结构原理图。
图5为本发明方法的启动电流图。
图6为无软启动方案启动电流图。
图7为现有技术第一种方案启动电流图。
图8为现有技术第二种方案启动电流图。
图9为现有技术第三种方案启动电流图。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。
参见图1，所示为本发明LLC谐振全桥变换器模型图，包括主电路、控制电路及其相关滤波电路；所述的主电路又分为原边和副边，原边由MOSFET桥式变换电路，LLC谐振电路组成，中间是功率变换电路，副边由输出整流电路组成。原边由数字芯片控制驱动电路驱动MOSFET进行调节。
参见图2，所示为本发明LLC谐振变换器线性补偿的软启动方法的流程框图，在数字芯片中执行软启动控制程序，至少包括如下步骤：
步骤S1：设置软启动控制模型，其中，设置占空比的系统增益模型并根据该模型设计占空比D的变化函数；以及设置频率的系统增益模型，并控制输出的频率增益使系统增益为线性，以此得到频率f的变化函数；
步骤S2：系统启动后，利用步骤S1设置的软启动控制模型控制PWM信号以控制开关管的状态实现软启动，其中，步骤S2至少包括如下步骤：
步骤S21：设置软启动控制模型初始参数，其中，PWM的开关频率设置为最高开启频率fm；其占空比设置为最低占空比0％；
步骤S22：根据设定参数进行启动，软启动控制模型同时调节PWM的开关频率和占空比；
步骤S23：当占空比达到饱和后，仅对开关频率进行调节，直至开关频率为谐振频率；软启动结束；
所述步骤S1中，占空比D的系统增益模型为：
其中，M为系统增益，a,k为参考调节参数，λ＝1/H＝Lr/Lm，Q＝Zo/Rac，
为了能够使增益能够线性平稳变化，设置占空比D变化函数为:
其中，Dmax是最大占空比，a，b，c为调节参数，为达到最大占空比所用的时间，t是时间变量；
频率的系统增益模型中，系统归一化增益M为：
或
其中，fn为归一化的频率，即，fn＝f/fr；
fr为谐振频率，其计算公式为：
上式中，Lr为谐振电感的感抗，Cr为谐振电容容值；
由上述提出占空比增益数学模型，可得占空比增益不能线性增加，为了使系统增益为线性，本发明设想时通过频率增益进行补偿。
申请人通过研究增益与频率和占空比的关系发现，总增益是占空比增益和频率增益的乘积。基于该发现，创造性提出同时引入频率f的规律递减，来补偿占空比增益，使得总体增益能够线性的上升，即增益曲线为M＝ht，使得整个系统启动电流平稳增加。
设置频率f的变化函数使系统增益为线性，公式如下：
上式中，tp为达到谐振频率所用的时间，fm为能设置的最大开关频率。
上述技术方案中，通过同时控制PWM的占空比和开关频率，实现快速的占空比从0到50％的变化，且电流增益变化在可控范围内，有效减小了开关损耗。同时引入频率的规律递减进行增益补偿，使得总体增益能够线性的上升，即增益曲线为M＝ht，使得整个系统电流平稳增加。采用本发明方法，能够实现LLC谐振变换器启动的快速增益，且启动电流小，电路损耗较小，启动时间短。
在一种优选实施方式中，占空比D的系统增益模型根据实验数据得到。由于无法通过数学计算得出占空比的显性表达式，通过对D赋值，由此作出当λ＝0.1时，工作在谐振频率下，不同Q值下增益M关于D的曲线，参见图3，所示为定频控制时的增益曲线。
通常我们设置Q在0.1到1之间，由此可得出占空比D的系统增益M近似为：
其中a,k为参考调节参数，λ＝1/H＝Lr/Lm，Q＝Zo/Rac，
在一种优选实施方式中，fm设置为2fr-3fr。
参见图4，所示为本发明另一种优选实施方式的LLC谐振变换器的电路结构原理图，包括主电路、控制电路及其相关电路；所述的主电路又分为原边和副边，原边由MOSFET桥式变换电路，LLC谐振电路组成，中间是功率变换电路，副边由输出整流电路组成。MOSFET桥式变换电路一端连接电源输入，另一端连接LLC谐振电路，LLC谐振电路又连接功率变换电路和原边电流检测电路，功率变换电路又链接副边输出整流电路，输出整流电路连接输出端。控制电路由电压电流采样模块、数字芯片控制器模块、隔离驱动模块组成，其中隔离驱动和数字芯片控制器由辅助电源模块驱动。其电压电流采集模块的一端连接副边电路输出端，另一端连接数字芯片的ADC通道，数字芯片控制模块又分别连接隔离驱动模块和原边电流检测电路，隔离驱动模块另一端连接MOSFET桥式变换电路。
进一步的，上述电路具体参数设置为：Vin为24V；Lr为6.582uH；Cr为1.539uf；变压器变比为5:5:5；滤波电容C为1mf；漏感Lm为32.911uH，等效电阻为5.76Ω；额定输出电压Vo为24V。
LLC谐振变换器的控制过程如下：
(1)系统在上电后经过初始化相关软硬件设置，没有故障后会进入软启动阶段；
(2)软启动开始会设置PWM的开启频率和占空比：开关频率设置为最高开启频率fm＝150kHz；占空比设置为最低占空比0％。
(3)占空比的软启动数学模型设置。
根据上述模型，设置参数Q＝0.5，a＝1,k＝4，Dmax＝0.49。
占空比的系统增益M为：
为了解决现有技术存在启动过程慢、启动后期增益不稳定等技术问题，本发明在其基础上进行了优化，从而使增益呈现线性平稳变化。根据公式(2)设置占空比D随时间t变化函数为:
为了能够尽快使得占空比达到目标值，实现软开关，减小损耗，对占空比变化函数进行优化，也即提出了上述占空比D随时间t变化函数。进一步的，设置最大占空比Dmax＝0.49，a＝1,b＝1,c＝0，可得达到最大占空比所用的近似时间t＝0.618。
此时设置占空比D变化函数为：
(4)频率的软启动数学模型设置。
根据LLC谐振变换器的原理，得到谐振频率fr为：
将参数λ＝0.2，Q＝0.5代入，其中横坐标使用归一化的启动频率fn＝f/fr。
可得系统归一化增益M为：
由于前面的占空比增益函数，占空比增益不能线性增加，此时要进行设置频率增益，使系统增益为线性。现在本发明同时引入频率的规律递减，来补偿占空比增益，使得总体增益能够线性的上升，即增益曲线为M＝ht，使得整个系统电流平稳增减。
本发明设置参数tp＝1S，工作频率从最大开关频率递减，可以得到近似f的变化函数为：
(5)软启动会按照设定参数进行启动，经过时间t＝0.618S后，占空比首先达到饱和，此时增益近似为1，提前进入软开关模式，之后仅有频率调节，直到到达时间1s，此时频率为谐振频率，软启动结束。
(6)软启动状态结束，进入正常运行状态。
采用上述技术方案，具有如下技术效果：
1.通过使占空比快速达到饱和，有效减小了损耗，减少了启动时间。
2.通过研究增益与频率和占空比的关系发现，系统的总增益是占空比增益和频率增益的乘积。现在本发明同时引入频率的规律递减，补偿占空比增益，使得总体增益能够线性的上升，即增益曲线为M＝ht，使得整个系统电流平稳增加，避免过流，而且明显减少了电流的毛刺现象，更好的保护了电路元器件。
为了验证本发明方法的技术效果，通过仿真对比现有技术几种方案启动时的原边电流大小。其中，图5为本发明方法的启动电流图。图6为无软启动方案启动电流图。图7为现有技术第一种方案启动电流图。图8为现有技术第二种方案启动电流图。图9为现有技术第三种方案启动电流图。
从仿真结果来看，相比于现有技术方案一和方案二的启动电流，本发明能够实现电流平缓增益启动，启动电流更小，启动电流增加过程没有毛刺现象，不会过流损害电路元器件，而且相比于方案二，还能够更快的进入软开关状态，减小了开关损耗。相比于现有技术方案三，本方法能更快的(大约为方案三一半时间)进入软开关状态，减少了开关损耗，而且启动电流毛刺现象明显减少，更好的保护了电路元器件。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种LLC谐振变换器线性补偿的软启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：设置软启动控制模型，其中，设置占空比的系统增益模型并根据该模型设计占空比D的变化函数；以及设置频率的系统增益模型，并控制输出的频率增益使系统增益为线性，以此得到频率f的变化函数；
步骤S2：系统启动后，利用步骤S1设置的软启动控制模型控制PWM信号以控制开关管的状态实现软启动，其中，步骤S2至少包括如下步骤：
步骤S21：设置软启动控制模型初始参数，其中，PWM的开关频率设置为最高开启频率fm；其占空比设置为最低占空比0％；
步骤S22：根据设定参数进行启动，软启动控制模型同时调节PWM的开关频率和占空比；
步骤S23：当占空比达到饱和后，仅对开关频率进行调节，直至开关频率为谐振频率；软启动结束；
所述步骤S1中，占空比D的系统增益模型为：
其中，M为系统增益，a,k为参考调节参数，λ＝1/H＝Lr/Lm，Q＝Zo/Rac，
为了能够使增益能够线性平稳变化，设置占空比D变化函数为:
其中，Dmax是最大占空比，a、b、c为调节参数，为达到最大占空比所用的时间，t是时间变量；
频率的系统增益模型中，系统归一化增益M为：
或
其中，fn为归一化的频率，即，fn＝f/fr；
fr为谐振频率，其计算公式为：
上式中，Lr为谐振电感的感抗，Cr为谐振电容容值；
设置频率f的变化函数使系统增益为线性，公式如下：
上式中，tp为达到谐振频率所用的时间，fm为能设置的最大开关频率。
2.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器线性补偿的软启动方法，其特征在于，fm设置为2fr至3fr。
3.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器线性补偿的软启动方法，其特征在于，占空比D的系统增益模型根据实验数据得到。
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