CN114362544B - 电荷控制llc谐振变换器的拓扑结构及其负载前馈方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电荷控制LLC谐振变换器的拓扑结构及其负载前馈方法，包括：直流输入电路，开关桥臂，谐振腔，变压器和整流负载电路；所述直流输入电路通过开关桥臂和谐振腔相连接，所述谐振腔通过变压器连接到整流负载电路；负载前馈方法根据电荷控制LLC谐振变换器得到负载电流前馈系数；对负载电流前馈系数进行线性化近似处理；得到预测负载功率，以得到负载功率的预测前馈控制量期望值；把所述负载功率的预测前馈控制量期望值加入LLC谐振变换器的电压外环输出中，使LLC谐振变换器输入的功率随负载功率快速调节，以保证整个系统输入功率与输出功率的动态平衡。本发明的优点是：提高在加、切负载时输出电压的控制效果，以提升变换器的动态性能。
Description
技术领域
本发明涉及谐振变换器负载前馈技术领域，特别涉及一种电荷控制LLC谐振变换器的拓扑结构及其负载前馈方法。
背景技术
谐振变换器是指利用电路中电感和电容等谐振元件在发生谐振时电流和电压周期性过零的特性，使得开关器件可以实现零电压(ZVS)或零电流(ZCS)开关，即软开关，使开关电源趋于高频化和小型化，所以在高频开关电源场合得到了广泛应用。常用的DC-DC谐振变换器工作原理为，直流输入电压经过开关桥臂后产生方波电压，加在谐振腔两端，使谐振回路产生谐振，谐振腔输出的谐振电压或谐振电流经过整流滤波后转变为直流提供给负载，从而实现DC-DC变换。
目前在主流的谐振变换器中，所谓的LLC谐振变换器得到了广泛应用。在大多数应用中，LLC谐振变换器一般采用单电压环控制策略(也称直接变频控制)。由于LLC谐振变换器具有高阶、强非线性的特点，其小信号模型在不同工况下变化显著，为了满足稳定性要求，单电压控制回路通常按最坏工况设计，导致带宽低，动态性能差。近年来，为了提高LLC谐振变换器的动态性能，人们提出了多种控制方法。其中，LLC谐振变换器的电荷控制策略被广泛应用。其通过将电荷信息作为内环控制量，把LLC谐振变换器系统简化为一阶系统，使其动态响应得到显著改善。虽然LLC变换器采用电荷控制方法后拥有很好的动态性能，但是在大范围进行加、切负载时仍然有改进的空间。
负载电流前馈控制作为前馈控制方法的一种，主要用于提高变换器应对负载突变时的动态性能。在目前已有前馈技术中，大多在带宽较低的控制方法基础上加上前馈控制；
如现有技术一：文献M.S.Amouzandeh,B.Mahdavikhah,A.Prodic andB.McDonald,"Auto-tuned minimum-deviation digital controller for LLC resonantconverters,"2015IEEE Energy Conversion Congress and Exposit ion(ECCE),2015,pp.1723-1728,doi:10.1109/ECCE.2015.7309903.在单电压控制回路中加入前馈控制；试图增加动态响应。一旦检测到瞬态，控制器采用两步变频策略。第一步以最快的速度反转负载变化对输出电容电流的影响，第二步是设定与新稳态相对应的频率。
现有技术一在单电压控制回路中添加了前馈控制，虽然动态响应可以得到改善，但对输出电压的采样要求很高。
现有技术二：文献D.Cittanti,M.Gregorio,E.Armando and R.Bojoi,"DigitalMulti-Loop Control of an LLC Resonant Converter for Electric Vehicle DC FastCharging,"2020IEEE Energy Conversion Congress and E xposition(ECCE),2020,pp.4423-4430,doi:10.1109/ECCE44975.2020.9236177.在平均电流双环控制回路中添加了前馈控制，其基于使用扩展描述函数方法(EDF)得到的小信号模型，给出了其在谐振频率附近的频率和负载的简化动态关系，利用查表法快速改变负载跳变时的频率。
现有技术二只有在谐振频率附近工作时，前馈控制方法才能通过平均电流回路对动态性能的改善起作用。当开关频率偏离谐振点时，前馈调节输出出现误差，前馈控制不再有效。此外，平均电流环的低带宽无疑限制了动态性能的进一步提高。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种电荷控制LLC谐振变换器的拓扑结构及其负载前馈方法。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种电荷控制LLC谐振变换器的拓扑结构，包括：直流输入电路，开关桥臂，谐振腔，变压器和整流负载电路；
所述直流输入电路通过开关桥臂和谐振腔相连接，所述谐振腔通过变压器连接到整流负载电路；LLC谐振变换器还包括：输出电流检测单元、输入电压检测单元、电荷检测单元和控制单元；
所述控制单元包括：数字控制器和驱动放大单元；
所述数字控制器包括：ADC模块、运算单元、模拟比较模块和DAC模块，PWM模块；
所述输出电流检测单元和输入电压检测单元的输出端连接到数字控制器的ADC模块输入端口，ADC模块转换后的数据输出给运算单元，实现前馈控制系数的计算；
所述电荷检测单元包括：电荷调理电路和斜坡补偿发生电路；
所述电荷调理电路输入端连接到LLC谐振变换器将谐振电流信号积分转换为电压信号；
所述斜坡补偿发生电路产生上升斜率恒定的斜坡电压，其和电荷调理电路的输出相叠加作为电荷检测单元的输出。
所述电荷检测单元输出端连接到所述数字控制器的模拟比较模块的同相输入端口，模拟比较模块的反相输入端连接到DAC模块，由运算单元计算出在半个开关周期时间段内被控支路的电荷上限阈值送到DAC模块；
所述模拟比较模块的输出CMP_OUT作为逻辑触发信号来改变PWM模块的计数方向从而产生控制信号，该控制信号经过PWM模块和驱动放大单元后输出的驱动信号连接到开关桥臂的开关管门极以控制LLC谐振变换器功率传递，从而实现被控支路的电荷控制；
进一步地，所述数字控制器还包括捕获模块，其输入端连接到PWM模块的输出端，对产生的驱动脉冲进行开关周期测量，测出的开关周期或开关频率实现前馈控制系数的计算。
本发明还公开了基于上述拓扑结构的负载前馈方法，包括以下步骤：
S1、根据电荷控制LLC谐振变换器大信号模型得到负载电流前馈系数和输出电压、开关频率和输入电压之间的定量方程；
S2、对所述负载电流前馈系数进行线性化近似处理，以得到简化的前馈系数计算方程；
S3、结合采样得到的输入、输出端电压和输出电流以及开关频率，以得到预测负载功率；
S4、根据所述预测负载功率，以得到负载功率的预测前馈控制量期望值；
S5、把所述负载功率的预测前馈控制量期望值加入LLC谐振变换器的电压外环输出中，使LLC谐振变换器输入的功率随负载功率快速调节，以保证整个系统输入功率与输出功率的动态平衡。
进一步地，载前馈方法需要采样输入电压、输出电压、输出电流和开关频率，所需负载前馈系数在负载跳变时是逐周期实时计算变化的。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
电荷调理电路通过电流互感器CT实现谐振电流积分，完成谐振腔电荷的隔离采样和积分，其适用拓扑范围宽，同时有利于控制器和副边输出共地，减少其他变量的隔离采样器件，减少采样成本。
谐振腔电荷的获取是直接通过谐振电容分压得到，适用于半桥拓扑结构，采样方式简单、器件成本低。
附图说明
图1是本发明实施例一谐振变换器拓扑结构图；
图2是本发明实施例一工作波形图；
图3是本发明实施例一加、切载主要工作波形对比图；
图4是本发明实施例二谐振变换器拓扑结构图；
图5是本发明实施例二工作波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
实施例一
拓扑结构如图1所示；
在电荷控制LLC谐振变换器中，输出电流io与控制变量vcomp之间的关系为：
忽略负载变化时开关频率的微小变化，考虑第一项的变化远大于第二项的变化，则负载电流变化的前馈值可近似为:
式中的kFF为负载电流前馈系数，与vo、vg、fs、Ci有关。通过采样检测相关的电压和开关频率，可以很容易地得到kFF。通过检测负载变化计算得到的前馈量Δvcomp直接叠加在电压调节器的输出,在检测到负载改变时可以立即调整vcomp稳态值,可以实现快速的动态响应。
实施例一的工作原理及工作过程
LLC谐振变换器采用电荷控制最主要的环节也是获取变换器电荷信息，当该电荷信息到达一定阈值时开关管动作从而实现功率控制，谐振腔电流通过串联在谐振腔中的电流互感器CT取出，并转换成CT副边的电压信号vs，该电压信号通过跨导为α的压控电流源转成微弱的积分电流，并在积分电容Ci上得到积分电压vi，从而完成谐振腔电荷的隔离采样和积分。积分电容有一个开关管和其并联用于放电复位。为了提高控制稳定性，还加入了斜坡补偿，由Vbias通过Ri为积分电容Ci线性充电，Ci上的斜坡补偿电压vramp和积分电容电压vi之和vsum输入比较器，当积分电压达到电压外环时开关管关闭，通过数字控制器使另外半个周期对称。
如图2所示，为实施例一通过对谐振电流积分方式获取电荷信息的主要工作波形。
其负载前馈方法实施效果如图3所示，在负载跳变时电荷控制环路本身就可凭借着高带宽迅速调节vcomp来抑制负载扰动，但如果此时的vcomp可以按照红色虚线所示的vcomp_ideal轨迹迅速跳变到稳态时所对应的值，则可以更快完成动态过渡来减小输出电压波动，这种情况也正是负载电流前馈控制最理想的效果。
实施例二
拓扑结构如图4所示，
实施例二依然遵从电荷控制的基本原理：当该电荷信息到达一定阈值时开关管动作从而实现功率控制。与本发明实施例一不同点在于谐振腔电荷的获取是直接通过电容分压得到。同样为了提高控制稳定性，也加入了斜坡补偿，由Vbias通过Ri为积分电容Ci线性充电，Ci上的斜坡补偿电压vramp和电容电压采样分压vi之和vsum输入比较器，当总电压达到电压外环时开关管关闭，通过数字控制器使另外半个周期对称。
如图5所示，为实施例二通过对谐振电容电压分压的方式获取电荷信息的主要工作波形，其负载前馈方法实施效果和实施例一一致。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种电荷控制LLC谐振变换器的拓扑结构，其特征在于，包括：直流输入电路，开关桥臂，谐振腔，变压器和整流负载电路；
所述直流输入电路通过开关桥臂和谐振腔相连接，所述谐振腔通过变压器连接到整流负载电路； LLC谐振变换器还包括：输出电流检测单元、输出电压检测单元、输入电压检测单元、电荷检测单元和控制单元；
所述控制单元包括：数字控制器和驱动放大单元；
所述数字控制器包括：ADC模块、运算单元、模拟比较模块和DAC模块，PWM模块；
所述输出电流检测单元、输入电压检测单元、以及输出电压检测单元的输出端连接到数字控制器的ADC模块输入端口， ADC模块转换后的数据输出给运算单元，实现前馈控制系数的计算；
所述电荷检测单元包括：电荷调理电路和斜坡补偿发生电路；
所述电荷调理电路输入端连接到LLC谐振变换器将谐振电流信号积分转换为电压信号；
所述斜坡补偿发生电路产生上升斜率恒定的斜坡电压，其和电荷调理电路的输出相叠加作为电荷检测单元的输出；
所述电荷检测单元输出端连接到所述数字控制器的模拟比较模块的同相输入端口，模拟比较模块的反相输入端连接到DAC模块，由运算单元计算出在半个开关周期时间段内被控支路的电荷上限阈值送到DAC模块；所述电荷上限阈值由前馈控制系数与输出电压误差经过PI调节器后得到；
所述模拟比较模块的输出 CMP_OUT 作为逻辑触发信号来改变PWM模块的计数方向从而产生控制信号，该控制信号经过PWM模块和驱动放大单元后输出的驱动信号连接到开关桥臂的开关管门极以控制LLC谐振变换器功率传递，从而实现被控支路的电荷控制。
2.根据权利要求1所述的一种电荷控制LLC谐振变换器的拓扑结构，其特征在于：所述数字控制器还包括捕获模块，其输入端连接到PWM模块的输出端，对产生的驱动脉冲进行开关周期测量， 测出的开关周期或开关频率实现前馈控制系数的计算。
3.根据权利要求1所述的一种电荷控制LLC谐振变换器的拓扑结构的负载前馈方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据电荷控制LLC谐振变换器大信号模型得到负载电流前馈系数和输出电压、开关频率和输入电压之间的定量方程；
S2、对所述负载电流前馈系数进行线性化近似处理，以得到简化的前馈系数计算方程；
S3、结合采样得到的输入、输出端电压和输出电流以及开关频率，以得到预测负载功率；
S4、根据所述预测负载功率，以得到负载功率的预测前馈控制量期望值；
S5、把所述负载功率的预测前馈控制量期望值加入LLC谐振变换器的电压外环输出中，使LLC谐振变换器输入的功率随负载功率快速调节，以保证整个系统输入功率与输出功率的动态平衡。
4.根据权利要求3所述的负载前馈方法，其特征在于：负载前馈方法需要采样输入电压、输出电压、输出电流和开关频率，所需负载电流前馈系数在负载跳变时是逐周期实时计算变化的。
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