CN114499146B - 一种适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统 - Google Patents

一种适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，适用于LLC、LCC、LCLC、CLLC等谐振类变换器。该控制系统中，开关管驱动信号的供电电压以软启动充电单元设定的初始斜率上升。当开关管驱动信号的供电电压达到开关管阈值电压时，开关管线性导通，谐振电流采样模块采样谐振支路电流，经电流闭环调节单元后控制软启电容放电电流，进而控制驱动信号的供电电压以较慢斜率上升，实现启动过程中谐振变换器谐振支路电流的闭环控制，解决了谐振变换软启过程中的尖峰电流问题。本发明提出的控制系统简单、实用，可很好解决谐振类变换器的启动尖峰电流问题，提高系统的可靠性。

Description

一种适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统
技术领域
本发明属于电力电子变换器的控制技术领域，特别是一种适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统。
背景技术
为了大幅提高开关电源的功率密度，必须减小变压器、电感和电容等无源器件的体积和重量，这就要求将开关变换器的开关频率提升至MHz级别。但是，开关损耗随着开关频率提升而显著增加。此时，为了获得高的变换效率，需要大幅减小甚至消除开关损耗。为此，具有软开关特性的LLC谐振变换器得到了广泛引用。
LLC谐振变换器有以下四类控制方法：1)变频控制，即通过改变开关频率调节输出电压；2)定频控制，即LLC谐振变换器工作在直流变压器的形式(DCX模式)，输出电压不可调节；3)移相控制，适用于全桥LLC谐振变换器，通过调节两个桥臂之间的移相角，改变施加在谐振网络上的方波电压，进而调节输出电压；4)变频加移相混合控制。特别地，对于工作在DCX模式的LLC谐振变换器而言，设计使其谐振频率略高于开关频率，可以在全负载范围内实现原边开关管和副边整流管的软开关，因此备受青睐，在数据中心、通信电源等场合应用广泛。
一般而言，为了滤除开关纹波电流分量，减小输出电压纹波，需要在LLC谐振变换器输出配备较大滤波电容。在LLC谐振变换器启动时，输出滤波电容两端电压为零，并将变压器原边电压嵌位至零。此时，若原边开关管驱动信号的占空比为0.5，由于谐振支路的特征阻抗很小，原边方波电压直接施加到谐振支路上，会在谐振支路中产生很大的电流尖峰，可能造成谐振电感饱和，甚至损坏开关管和整流管，同时会产生很大的电磁干扰，影响其他电子设备的正常工作。
为了解决上述问题，LLC谐振变换器需要采用软启动控制方法，现有的LLC谐振变换器软启动控制方法大致有以下五类：1)变频启动。由于LLC谐振变换器谐振支路的特征阻抗随开关频率提高而增大，因此，可以采用较高开关频率启动，以限制启动冲击电流，并逐步降低开关频率至稳态工作时的开关频率；2)移相启动，适用于全桥LLC谐振变换器。保持所有开关管的占空比为0.5，通过控制两个桥臂之间的移相角由0°逐步增大至180°，可以调节施加在谐振支路上的方波电压的大小，从而限制启动电流；3)调宽软启。调节开关管的占空比由0逐渐增大至0.5，同样可以调节施加在谐振支路上的方波电压的大小，进而限制启动电流；4)非对称软启动方法。保持正半周(或负半周)的占空比为0.5不变，调节负半周(或正半周)的占空比由0逐渐增大至0.5，也可以调节施加在谐振支路上的电压，达到限制启动电流的目的。5)增加辅助电路。通过增加辅助开关，插入额外开关模态，即续流通路，可以有效嵌位谐振支路电流的最大值。然而，对于工作在MHz级别的DCX-LLC谐振变换器而言，由于谐振电感很小，采用变频软启方法时，要求初始启动开关频率远高于正常工作开关频率；而移相启动仅适用于全桥LLC谐振变换器，无法应用于半桥LLC谐振变换器，通用性较差；调宽软启和非对称软启在启动过程中无法实现开关管的软开关，开关损耗很大；增加辅助电路大幅增加了系统的复杂度，并降低了变换器的功率密度。除此之外，上述控制方法本质上都是开环控制，不能直接控制启动电流的大小。因此，需要根据最恶劣工况设计，启动时间为设定的固定值，不能适应不同的工作条件，如不同负载情况、不同储能电容等。同时，由于为开环控制，无法识别短路工况，短路启动时，需要加入过流保护。
综上所述，现有的软启动控制方法或多或少存在着不足之处。因此，需要探索一种新的通用软启动控制方法，以实现LLC谐振变换器软启动，并实现启动电流可控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，以实现谐振变换器的软启动，并闭环控制其启动电流大小。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，所述系统包括：谐振电流采样模块、电流闭环调节单元、软启动电容放电单元、软启动电容充电单元、驱动电压产生单元和PWM驱动单元；
所述谐振电流采样模块与主功率电路的谐振支路相连，用于对谐振支路的电流进行采样，得到采样电流信号，并反馈给所述电流闭环调节单元；
所述电流闭环调节单元，用于根据谐振电流采样模块反馈的采样电流信号，产生误差信号；
所述软启动电容放电单元，用于根据所述电流闭环调节单元产生的误差信号调节该软启动电容放电单元放电电流的大小，从而调节软启动电容电压的上升斜率；
所述软启动电容充电单元，用于对软启动电容进行恒流充电，以控制其电压初始上升斜率；
所述驱动电压产生单元，用于根据软启动电容电压信号，产生跟随的、具备驱动能力的供电电压，为所述PWM驱动单元供电；
所述PWM驱动单元与主功率开关管相连，用于产生驱动信号，以控制开关管的导通和关断。
进一步地，所述电流闭环调节单元采用比例(P)调节器，其传递函数为：
Gc(s)＝Kp
式中，Kp为比例调节器比例系数。
进一步地，所述PWM驱动单元的占空比为恒定0.5。
进一步地，该系统可直接应用到谐振变换器的短路启动中，实现短路恒流控制。
进一步地，该系统可直接应用于其他谐振类变换器，包括LLC谐振变换器、LCC谐振变换器、LCLC谐振变换器、CLLC谐振变换器。
基于上述适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统的控制方法，步骤如下：
1)初始时刻，软启动电容以软启动充电单元设定的初始斜率上升，PWM驱动单元产生的驱动电压随之上升；
2)当驱动电压上升至开关管门级驱动阈值电压时，若驱动电压继续上升，开关管开始导通，工作于线性区，其沟道电流为：
iLs＝gm(Vdd-Vgsth)
式中，gm为开关管跨导，Vgsth为开关管门级驱动阈值电压，Vdd为驱动电压；
开关管线性导通后，将所述谐振电流采样模块得到的电流采样信号与电流设定基准进行比较，若电流采样信号小于电流设定基准，则所述电流闭环调节单元的输出减小，所述软启动放电单元电流减小，软启动电容电压上升，使得驱动电压上升，开关管沟道电流继续增大；若电流采样信号大于电流设定基准，则所述电流闭环调节单元的输出增大，所述软启动放电单元电流增大，软启动电容两端电压下降，使得驱动电压下降，开关管沟道电流减小；最终，开关管沟道电流控制为设定的值；
3)当输出电压上升至一定值时，继续增大驱动电压，谐振支路电流不再继续增大，则软启电容放电支路电流减小至零，软启电容电压继续按照所述软启动充电单元设定的初始斜率上升，直至达到辅助供电电源电压，软启过程结束。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明通过采样谐振支路电流，以此来控制开关管驱动信号的驱动电压，进而限制启动过程中开关管电流中的冲击电流，可以有效实现谐振变换器的软启动，提升系统的可靠性。
2)本发明提出的适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，在任意的工况下，均能够控制谐振变换器按照设定的恒定启动电流启动，实现了启动电流的闭环控制。
3)本发明提出的适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，亦可用于谐振变换器的短路限流启动，在短路启动时，有效保护电路中的功率器件。
4)本发明提出的适用于谐振变换器闭环软启动控制系统，不仅适用于全桥LLC谐振变换器，同时也适用于半桥LLC谐振变换器，亦可适用于其他类型的谐振变换器，通用性较强。
5)本发明中涉及的控制电路器件很少，硬件电路实现简单。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明适用于谐振变换器的软启动控制系统常采用的主功率拓扑图。
图2是本发明控制系统在全桥LLC谐振变换器中应用的结构框图。
图3是本发明控制系统的一种具体控制电路图。
图4是本发明控制系统的启动时序图。
图5是本发明控制系统正常启动时的工作波形图。
图6是本发明控制系统短路启动时的工作波形图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明实施例提供的适用于谐振变换器闭环软启动控制系统，由于开关管驱动信号的供电电压可根据谐振支路的电流大小进行闭环调节，故可据此准确限制启动过程谐振支路中的电流大小，最终实现恒流启动。
根据应用场景不同，谐振变换器拓扑可采用LLC、LCC和LLC谐振变换器等，如图1所示，包括原边开关网络、谐振网络、变压器网络、整流网络和滤波网络。原边开关网络由Q1～Q4开关管构成，开关管Q1的D一端和Q2的S一端相连，构成一个开关桥臂；开关管Q3的D一端和Q4的S一端相连，构成另外一个开关桥臂；直流输入源Vin正极与开关管Q1和Q3的D一端相连，直流输入源Vin的负极与开关管Q2和Q4的S一端相连。对于LLC谐振变换器而言，如图1(a)所示，谐振网络包含谐振电感Ls、谐振电容Cs和励磁电感Lm，谐振电感Ls一端与一个桥臂中点A相连，另一端与励磁电感Lm一端和变压器网络Tr原边端口一端相连，励磁电感Lm另一端与变压器原边网络Tr另一端和谐振电容Cs一端相连，谐振电容Cs另一端与另一个桥臂中点B相连；对于LCC谐振变换器，如图1(b)所示，谐振网络包括谐振电感Ls、谐振电容Cs和并联谐振电容Cp，谐振电感Ls一端与一个桥臂中点A相连，另一端与并联谐振电容Cp一端和变压器网络Tr原边端口一端相连，并联谐振电容Cp另一端与变压器原边网络Tr另一端和谐振电容Cs一端相连，谐振电容Cs另一端与另一个桥臂中点B相连；对于CLLC谐振变换器，如图1(c)所示，谐振网络包含谐振电感Ls1、谐振电容Cs1、和谐振电感Ls2、谐振电容Cs2和励磁电感Lm，谐振电感Ls1一端与一个桥臂中点A相连，另一端与励磁电感Lm一端和变压器网络Tr原边端口一端相连，励磁电感Lm另一端与变压器原边网络Tr另一端和谐振电容Cs1一端相连，谐振电容Cs1另一端与另一个桥臂中点B相连，谐振电感Ls2一端与变压器网络副边一端相连，谐振电感Ls2另一端与一个整流桥臂中点相连，谐振电容Cs2一端与变压器网络副边另一端相连，谐振电容Cs2另一端与另一个整流桥臂中点相连。整流网络由DR1～DR4四只二极管构成，二极管DR1的阳极和DR2的阴极相连，组成一个整流桥臂；二极管DR3的阳极和DR4的阴极相连，组成另一个整流桥臂；DR1和DR3的阴极与输出电容Co和负载RLd正极相连，DR2和DR3的阳极与输出电容Co和负载RLd相连。
此外，针对不同应用场合，原边开关网络还可以采用半桥结构，副边整流网络亦可采用全波整流、倍流整流、倍压整流等整流网络。与此同时，在低压大电流应用场合，副边整流网络还可以采用同步整流技术，即用开关管替代副边整流二极管，以减小损耗。在低压场合中，LLC谐振变换器能在全电压范围和全负载范围内实现原边开关管和副边整流管的软开关，且关断电流很小，因此得到广泛引用。这里以原边采用全桥结构、副边采用全波同步整流的LLC谐振变换器系统为例，对所述适用于谐振变换器的软启动控制系统进行详细说明。
在一个实施例中，结合图2，提供给了一种适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统控制系统，包含谐振电流采样模块、电流闭环调节单元、软启动电容放电单元、软启动电容充电单元、驱动电压产生单元和PWM驱动单元。
所述谐振电流采样模块与主功率电路的谐振支路相连，用于对谐振支路的电流进行采样，得到采样电流信号is，并反馈给所述电流闭环调节单元；
所述电流闭环调节单元，用于根据谐振电流采样模块反馈的采样电流信号is，产生误差信号vcontrol；
所述用于根据所述电流闭环调节单元产生的误差信号vcontrol调节该软启动电容放电单元放电电流idischarge的大小，从而调节软启动电容电压vCss的上升斜率；
所述软启动电容充电单元，用于对软启动电容Css进行恒流icharge充电，以控制其电压vCss初始上升斜率；
所述驱动电压产生单元，用于根据软启动电容电压vCss信号，产生跟随的、具备驱动能力的供电电压Vdd，为所述PWM驱动单元供电；
所述PWM驱动单元与主功率开关管相连，用于根据驱动输入信号Q1～Q4产生带驱动能力的驱动信号，以控制开关管的导通和关断。请注意，这里占空比为恒定0.5。
根据图2，具体工作过程按照以下步骤：
1)利用电流采样模块采样得到LLC谐振变换器谐振支路的电流信息。
2)将得到的采样信号is与电流设定基准Iref进行比较，其差值送入电流调节器，一般采用比例(P)调节器，得到误差信号vcontrol。若电流采样信号小于电流设定基准，则电流闭环调节器的输出vcontrol减小；若电流采样信号大于电流设定基准，则电流闭环调节器的输出vcontrol增大。
3)根据步骤2中得到的电流调节器的输出号vcontrol，控制软启动电容的放电电流。若vcontrol变高，则软启动电容放电电流idischarge增大，软启动电容电压vCss降低；若vcontrol降低，则软启动电容放电电流idischarge减小，软启动电容vCss电压升高。
4)根据步骤3中得到的软启动电容电压vCss，直接控制驱动信号供电电压Vdd，从而控制开关管沟道电流的大小，形成闭环调节。
图3给出了图2所示控制结构图的一种典型的控制电路图。其中，电流闭环调节单元采用比例(P)调节器；软启动电容放电单元和软启动充电单元分别由两个镜像电流源构成，P调节器的输vcontrol和电阻R2分别用于控制两个镜像电流源的电流值；驱动电压产生单元为由达林顿管构成的线性电源。
该控制电路包括软启动电容Css、软启动电容放电单元、软启动充电单元、电流闭环调节单元、驱动电压产生单元和PWM驱动单元；
所述软启动电容放电单元包括第一镜像电流源和第二电阻R2，所述第一镜像电流源包括两个PNP管，分别记为第一PNP管和第二PNP管；所述软启动充电单元包括第二镜像电流源和第一电阻R1，所述第二镜像电流源包括两个NPN管，分别记为第一NPN管和第二NPN管；所述驱动电压产生单元包括两个NPN管，分别记为第三NPN管和第四NPN管；所述电流闭环调节单元包括比较器、第三电阻和第四电阻，采样电流信号is通过第三电阻连接比较器的负输入端，同时通过第四电阻连接比较器的输出端，比较器的正输入端输入电流设定基准；所述第一PNP管的b极与第二PNP管的b极相连，同时与第一PNP管的c极相连，第一PNP管的e极与第二PNP管的e极相连并连接电源Vcc，第一PNP管的c极与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端通过软启动电容Css连接第二PNP管的c极；所述第三NPN管和第四NPN管的c极连接电源Vcc，第三NPN管的b极连接第二PNP管的c极，第三NPN管的e极连接第四NPN管的b极；所述第一NPN管的b极和第二NPN管的b极连接，同时通过第一电阻R1连接电流闭环调节单元的输出端，第一NPN管的c极连接第二PNP管的c极，第一NPN管的e极和第二PNP管的e极相连，且该公共端与第二电阻R2和软启动电容Css的公共端、比较器的正输入端相连，同时通过一个电容连接第四NPN管的e极，第二PNP管的c极与第二PNP管的b极相连。
从图3可以看出，本发明中涉及的控制电路器件很少，硬件电路实现简单。
图4给出了LLC谐振变换器启动过程中的工作波形图，其中，vQ1为开关管Q1驱动信号，Vo为输出电压，Iin为输入电流。根据工作波形，所提出适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统的工作步骤如下：
1)t0～t1时间段：软启动电容电压按照软启动充电的单元设定的初始充电斜率上升，此时，由于驱动电压的值小于开关管开通的阈值，LLC谐振变换器开关管不导通，其电流为零；
2)t1～t2时间段：在t1时刻，驱动电压上升至开关管门级驱动阈值电压，若驱动电压继续上升，开关管开始导通，工作于线性区，其沟道电流为：
iLs＝gm(Vdd-Vgsth)
式中，gm为开关管跨导，Vgsth为开关管门级驱动阈值电压，Vdd为驱动电压。
在该过程中，由于谐振支路电流闭环的调节作用，软启电容放电单元开始放电，软启电容电压按照较慢的斜率上升；
3)t2～t3时间段：当输出电压上升至一定值时，继续增大驱动电压的值，谐振电感电流不再继续增大。此时，电流调节器负饱和，即vcontrol＝0，软启电容放电单元放电电流也下降至0，因此软启电容电压vCss继续按照软启动充电单元设定的初始斜率上升。t3时刻，软起电容电压上升至供电电压Vcc，软启过程结束。
下面给出本发明的一个应用实例。
应用实例电路图如图2所示，具体样机参数如下：
·输入电压Vin＝26V-50V，额定输入电压36V；
·输出电压Vo＝6V；
·输出电流Io＝20A；
·开关频率fs＝1.52MHz；
·串联谐振电感Ls＝30nH；
·串联谐振电容Cs＝330nF；
·励磁电感Lm＝1μH；
图5给出了额定输入条件下，正常启动时，LLC谐振变换器的工作波形。波形从上到下依次为驱动信号供电电压Vdd和LLC谐振变换器输入电流Iin。
图6给出了额定输入条件下，短路启动时，LLC谐振变换器的工作波形。短路持续时间超过1ms后，系统进入保护状态。
从测试波形可以看出，无论是在正常启动时还是在短路启动工况下，启动过程中，输入电流均控制在设定值附近，可有效实现LLC谐振变换器的软启动，且软启动电流闭环可精确控制。因此，本发明所提出软启动控制系统具有很好的实用价值。
本发明的技术方案不局限于上述实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，其特征在于，所述系统包括：谐振电流采样模块、电流闭环调节单元、软启动电容放电单元、软启动电容充电单元、驱动电压产生单元和PWM驱动单元；
所述谐振电流采样模块与主功率电路的谐振支路相连，用于对谐振支路的电流进行采样，得到采样电流信号，并反馈给所述电流闭环调节单元；
所述电流闭环调节单元，用于根据谐振电流采样模块反馈的采样电流信号，产生误差信号；
所述软启动电容放电单元，用于根据所述电流闭环调节单元产生的误差信号调节该软启动电容放电单元放电电流的大小，从而调节软启动电容电压的上升斜率；
所述软启动电容充电单元，用于对软启动电容进行恒流充电，以控制其电压初始上升斜率；
所述驱动电压产生单元，用于根据软启动电容电压信号，产生跟随的、具备驱动能力的供电电压，为所述PWM驱动单元供电；
所述PWM驱动单元与主功率开关管相连，用于产生驱动信号，以控制开关管的导通和关断；
所述适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1)初始时刻，软启动电容以软启动充电单元设定的初始斜率上升，PWM驱动单元产生的驱动电压随之上升；
2)当驱动电压上升至开关管门级驱动阈值电压时，若驱动电压继续上升，开关管开始导通，工作于线性区，其沟道电流为：
iLs＝gm(Vdd-Vgsth)
式中，gm为开关管跨导，Vgsth为开关管门级驱动阈值电压，Vdd为驱动电压；
开关管线性导通后，将所述谐振电流采样模块得到的电流采样信号与电流设定基准进行比较，若电流采样信号小于电流设定基准，则所述电流闭环调节单元的输出减小，所述软启动放电单元电流减小，软启动电容电压上升，使得驱动电压上升，开关管沟道电流继续增大；若电流采样信号大于电流设定基准，则所述电流闭环调节单元的输出增大，所述软启动放电单元电流增大，软启动电容两端电压下降，使得驱动电压下降，开关管沟道电流减小；最终，开关管沟道电流控制为设定的值；
3)当输出电压上升至一定值时，继续增大驱动电压，谐振支路电流不再继续增大，则软启电容放电支路电流减小至零，软启电容电压继续按照所述软启动充电单元设定的初始斜率上升，直至达到辅助供电电源电压，软启过程结束。
2.根据权利要求1所述的适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，其特征在于，所述电流闭环调节单元采用比例调节器，其传递函数为：
Gc(s)＝Kp
式中，Kp为比例调节器比例系数。
3.根据权利要求2所述的适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，其特征在于，所述PWM驱动单元的占空比为恒定0.5。
4.根据权利要求3所述的适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，其特征在于，该系统可直接应用到谐振变换器的短路启动中，实现短路恒流控制。
5.根据权利要求4所述的适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，其特征在于，该控制系统可直接应用于其他谐振类变换器，包括LLC谐振变换器、LCC谐振变换器、LCLC谐振变换器、CLLC谐振变换器。
6.根据权利要求1所述的适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，其特征在于，所述电流闭环调节单元采用比例P调节器，所述软启动电容放电单元和软启动电容充电单元分别包括一个镜像电流源和一个电阻；所述软启动电容放电单元中镜像电流源的电流值由比例P调节器的输出控制，所述软启动电容充电单元中镜像电流源的电流值由该单元中的电阻控制。
7.根据权利要求1所述的适用于谐振变换器的闭环软启动控制系统，其特征在于，所述驱动电压产生单元为达林顿管构成的线性电源。
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