CN115800725A - 一种llc谐振变换器的平均电流控制系统及方法 - Google Patents

一种llc谐振变换器的平均电流控制系统及方法 Download PDF

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李大伟
刘斌
乔凯
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Abstract

本发明提供一种LLC谐振变换器的平均电流控制系统，其第一控制环、第二控制环、第一滤波器以及前馈控制模块。其中，第一控制环用于控制LLC谐振变换器的最终输出量，第二控制环用于控制LLC谐振变换器的原边谐振腔电流或副边整流后电流，第一滤波器用于对原边谐振腔电流或副边整流后电流进行调理，以及前馈控制模块连接至第二控制环，以在第二控制环的输入中增加电流前馈，进而减轻外环参数压力，减小双环参数调试难度，提高系统响应速度。

Description

一种LLC谐振变换器的平均电流控制系统及方法
技术领域
本发明涉及谐振变换器技术领域，特别涉及一种LLC谐振变换器的平均电流控制系统及方法。
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，使开关器件可以实现零电压(ZVS)或零电流(ZCS)开关，即软开关，由此使得开关电源趋于高频化和小型化。因此，谐振变换器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。
LLC谐振变换器是目前应用较为广泛的一种谐振变换器。LLC谐振变换器一般采用单电压环控制策略。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，因此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，这导致带宽低，动态性能差。为了提高LLC谐振变换器的动态性能，改善单电压控制对于一次侧输入电压变化的响应速度，在一些方法中还进一步地采用了平均电流控制，具体而言，是对谐振电流进行平均采样，然后纳入控制之中，以控制流入变压器的电流。
但是，LLC平均电流控制精确建模难度较大，且双环参数的设计困难，双环配合调试难度大。
发明内容
针对现有技术中的部分或全部问题，本发明一方面提供一种LLC谐振变换器的平均电流控制系统，包括：
第一控制环，用于控制外环控制量，即最终输出量；
第二控制环，用于控制内环控制量，包括原边谐振腔电流i res或副边整流后电流irec；
第一滤波器，用于对所述原边谐振腔电流ires或副边整流后电流irec进行调理；以及
前馈控制模块，其用于在所述第二控制环的输入中增加电流前馈。
进一步地，所述前馈控制模块的输入为平均电流的计算值。
进一步地，所述平均电流的计算值根据LLC谐振变换器的匝比、串联谐振频率、激磁电感、开关频率以及输出电流、输出电压计算得到。
进一步地，所述前馈控制模块包括：
滤波器，用于对电流进行滤波；和/或
比例模块，用于按照预设比例系数对电流进行缩放。
进一步地，所述滤波器的截止频率与平均电流采样的硬件滤波器相同。
进一步地，所述滤波器的截止频率与平均电流采样的硬件滤波器不相同。
进一步地，所述比例系统大于等于0。
进一步地，所述比例系数不大于1。
基于如前所述的平均电流控制系统，本发明另一方面提供一种LLC谐振变换器的平均电流控制方法，包括：
计算平均电流的计算值；
对所述平均电流的计算值进行调整，包括滤波和/或比例缩放；以及
将经过数值调整后的平均电流理论值输入到内环控制环的输入。
进一步地，当采样原边谐振腔电流ires控制时，所述平均电流的计算值ic计算如下：
Figure BDA0003984714730000021
其中，
N为LLC谐振变换器中线圈的匝比；
Io为最终的输出电流；
fr为LLC谐振变换器的串联谐振频率，由原边的谐振电容及等效电感确定；
fs为LLC谐振变换器的开关频率；
Vout为最终输出电压；以及
Lm为LLC谐振变换器的激磁电感。
进一步地，当采用采样副边整流后电流irec控制时，则所述平均电流的理论值ic计算如下：
Figure BDA0003984714730000031
其中，
Io为最终的输出电流；
fr为LLC谐振变换器的串联谐振频率，由原边的谐振电容及等效电感确定；以及
fs为LLC谐振变换器的开关频率。
本发明提供的一种LLC谐振变换器的平均电流控制系统及方法，在LLC平均电流控制建模不准的情况下，通过加入理论计算得到的平均电流前馈以减轻外环参数压力，减小双环参数调试难度，提高系统响应速度。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出一种采用半波整流的半桥LLC拓扑的结构示意图；
图2示出本发明一个实施例的一种LLC谐振变换器的平均电流控制系统的结构示意图；
图3示出本发明一个实施例的一种LLC谐振变换器的平均电流控制方法的流程示意图；以及
图4a及4b分别示出现有技术及采用本发明一个实施例的一种LLC谐振变换器的平均电流控制方法的仿真波形。
具体实施方式
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
为了提高LLC谐振变换器的动态性能，目前很多LLC拓扑，例如半桥LLC和全桥LLC中均加入了谐振电流平均值控制。其中，若副边采用全波整流，则可以通过采样原边谐振腔电流、副边谐振腔电流或副边整流后电流作为平均电流环的控制量；以及若副边采用半波整流，则可以通过采样原边谐振腔电流或副边整流后电流作为控制量。其中，采用原边谐振腔电流或副边谐振腔电流作为控制量时，需要将采样电流经过整流并滤波后才可作为最终控制量，而副边整流后电流只需滤波即作为最终控制量。图1示出一种采用半波整流的半桥LLC拓扑，如图1所示，在该拓扑中，可通过采样原边谐振腔电流i res或副边整流后电流irec，并经过适当调理后得到平均电流控制输入信号。在本发明中，术语“调理”是指通过滤波器对电流进行波形、幅度等参数的调整。其中，所述适当调理例如包括滤波等操作。此外，LLC平均电流控制中精确建模难度大，双环参数设计困难，双环配合调试难度大。基于此，针对LLC平均电流控制建模不准的问题，本发明通过加入计算得到的平均电流前馈减轻外环参数压力，进而减小双环参数调试难度，提高系统响应速度。
下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。
图2示出本发明一个实施例的一种LLC谐振变换器的平均电流控制系统的结构示意图。如图2所示，一种LLC谐振变换器的平均电流控制系统，包括第一控制环201、第二控制环202、第一滤波器203以及前馈控制模块204。
所述第一控制环201用于控制外环控制量，即最终输出量，例如，当LLC谐振变换器工作在恒压输出模式时，所述第一控制环201用于控制电压，而当LLC谐振变换器可工作在恒功率输出模式时，所述第一控制环201用于控制输出功率。
所述第二控制环202用于控制内环控制量，在本发明的实施例中，采用平均电流控制策略，因此无论在何种模式下，内环控制量均相同，即所述第二控制环202均用于控制电流，所述电流可以是LLC谐振变换器的原边谐振腔电流ires或副边整流后电流irec。
所述第一滤波器203用于对所述电流进行调理。
所述前馈控制模块204连接至所述第二控制环202的输入端，为所述第二控制环202加入平均电流前馈，进而减轻外环参数压力。
在本发明的一个实施例中，所述平均电流前馈采用平均电流的计算值进行调整后得到。具体而言，若采用采样原边谐振腔电流ires控制，则所述平均电流的计算值ic计算如下：
Figure BDA0003984714730000051
其中，
N为LLC谐振变换器中线圈的匝比；
Io为最终的输出电流；
fr为LLC谐振变换器的串联谐振频率，由原边的谐振电容及等效电感确定；
fs为LLC谐振变换器的开关频率；
Vout为最终输出电压；以及
Lm为LLC谐振变换器的激磁电感。
若采用采样副边整流后电流irec控制，则所述平均电流的计算值ic计算如下：
Figure BDA0003984714730000052
其中，
Io为最终的输出电流；
fr为LLC谐振变换器的串联谐振频率，由原边的谐振电容及等效电感确定；以及
fs为LLC谐振变换器的开关频率。
对于任一LLC谐振变换器而言，所述匝比N、串联谐振频率fr、及激磁电感Lm均为固定值，因此无论采用原边谐振腔电流ires还是副边整流后电流irec控制，实际所述平均电流的计算值最终由输出电流Io、输出电压Vout和开关频率fs的大小决定，特别当处于恒压模式时，负载变化可以通过采样Io迅速计算得到ic的值，从而减轻输出外环计算压力。
在本发明的一个实施例中，对于所述平均电流的计算值ic的调整主要包括滤波以及按比例缩放，进而所述前馈控制模块204包括第二滤波器241以及比例模块242。
在本发明的一个实施例中，所述第二滤波器241的截止频率与所述平均电流采样的硬件滤波器保持一致。在本发明的又一个实施例中，所述第二滤波器241的截止频率与所述平均电流采样的硬件滤波器不一致。在本发明的再一个实施例中，则可将所述平均电流的计算值ic直接接入所述比例模块242，而无需采用滤波器。
为了避免影响整体拓扑的稳定性，在将所述平均电流的计算值ic输入到所述第二控制环202的输入前，通常需要将所述平均电流的计算值ic进行缩小或放大，基于此，通过所述比例模块在所述平均电流的计算值ic基础上加上一个比例系数，在本发明的一个实施例中，所述比例系数应大于0，优选不超过1。所述比例系数偏大或偏小时，所述第一控制环也会对其进行调整，两者相互结合、相互影响，共同提高系统的响应速度。
基于如前所述的控制系统，图3示出本发明一个实施例的一种LLC谐振变换器的平均电流控制方法的流程示意图。如图3所示，一种LLC谐振变换器的平均电流控制方法，包括：
首先，在步骤301，计算平均电流计算值。当采样原边谐振腔电流ires控制时，所述平均电流的计算值ic计算如下：
Figure BDA0003984714730000061
其中，
N为LLC谐振变换器中线圈的匝比；
Io为最终的输出电流；
fr为LLC谐振变换器的串联谐振频率，由原边的谐振电容及等效电感确定；
fs为LLC谐振变换器的开关频率；
Vout为最终输出电压；以及
Lm为LLC谐振变换器的激磁电感。
当采用采样副边整流后电流irec控制时，则所述平均电流的计算值ic计算如下：
Figure BDA0003984714730000071
其中，
Io为最终的输出电流；
fr为LLC谐振变换器的串联谐振频率，由原边的谐振电容及等效电感确定；以及
fs为LLC谐振变换器的开关频率；
接下来，在步骤302，数值调整。对所述平均电流的计算值ic进行调整，主要包括滤波和/或比例缩放，其中，滤波采用的滤波器的截止频率可以与平均电流采样的硬件滤波器保持一致，也可不一致，所述比例缩放的比例系数则优选为大于0，特别优选为0到1范围内的数值；以及
最后，在步骤303，加入平均电流前馈。将经过数值调整后的平均电流计算值输入到内环控制环的输入，减轻外环参数压力，减小双环参数调试难度，提高系统响应速度。
图4a及4b分别示出现有技术及采用本发明一个实施例的一种LLC谐振变换器的平均电流控制方法的仿真波形。如图所示是基于半波整流的半桥LLC在相同外环带宽条件下没有加入平均电流前馈和加入平均电流前馈的仿真波形，可以看出，加入平均电流前馈，即采用本发明实施例中的一种LLC谐振变换器的平均电流控制方法后可以有效提高系统响应速度，且对外环控制参数精确度降低。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (11)

1.一种LLC谐振变换器的平均电流控制系统，其特征在于，包括：
第一控制环，其被配置为控制LLC谐振变换器的最终输出量；
第二控制环，其被配置为控制LLC谐振变换器的原边谐振腔电流或副边整流后电流；
第一滤波器，其被配置为对所述原边谐振腔电流或副边整流后电流进行调理；以及
前馈控制模块，其被配置为在所述第二控制环的输入中增加电流前馈。
2.如权利要求1所述的平均电流控制系统，其特征在于，所述前馈控制模块的输入为平均电流的计算值。
3.如权利要求2所述的平均电流控制系统，其特征在于，所述平均电流的计算值根据所述LLC谐振变换器的匝比、串联谐振频率、激磁电感、开关频率以及输出电流、输出电压计算得到。
4.如权利要求1所述的平均电流控制系统，其特征在于，所述前馈控制模块包括：
滤波器，其被配置为对电流进行滤波；和/或
比例模块，其被配置为按照预设比例系数对电流进行缩放。
5.如权利要求4所述的平均电流控制系统，其特征在于，所述滤波器的截止频率与平均电流采样的硬件滤波器相同。
6.如权利要求4所述的平均电流控制系统，其特征在于，所述滤波器的截止频率与平均电流采样的硬件滤波器不相同。
7.如权利要求4所述的平均电流控制系统，其特征在于，所述比例系数大于等于0。
8.如权利要求7所述的平均电流控制系统，其特征在于，所述比例系数不大于1。
9.一种LLC谐振变换器的平均电流控制方法，其特征在于，包括步骤：
计算平均电流的计算值；
对所述平均电流的计算值进行调整，包括滤波和/或比例缩放；以及
将经过数值调整后的平均电流理论值输入到内环控制环的输入。
10.如权利要求9所述的平均电流控制方法，其特征在于，当采样原边谐振腔电流控制时，所述平均电流的计算值ic计算如下：
Figure FDA0003984714720000021
其中，
N为所述LLC谐振变换器中线圈的匝比；
Io为最终的输出电流；
fr为所述LLC谐振变换器的串联谐振频率，由原边的谐振电容及等效电感确定；
fs为所述LLC谐振变换器的开关频率；
Vout为最终输出电压；以及
Lm为所述LLC谐振变换器的激磁电感。
11.如权利要求9所述的平均电流控制方法，其特征在于，当采用采样副边整流后电流控制时，则所述平均电流的理论值ic计算如下：
Figure FDA0003984714720000022
其中，
Io为最终的输出电流；
fr为所述LLC谐振变换器的串联谐振频率，由原边的谐振电容及等效电感确定；以及
fs为所述LLC谐振变换器的开关频率。
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