CN116191837A - 一种自适应窄频率范围的pfm与avc混合调制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自适应窄频率范围的PFM‑AVC混合调制策略，以解决传统PFM调制应用于宽输出应用中频率变化范围过宽的问题。在实现宽范围输出和宽负载范围的同时实现窄频率变化范围；自适应切换频率ωn,shift，根据品质因数Q和输出增益M来进行调整；并且在整个工作过程中实现了软开关。

Description

一种自适应窄频率范围的PFM与AVC混合调制策略
技术领域
本发明属于DC/DC变换器调制策略技术领域，具体涉及一种自适应窄频率范围的PFM与AVC混合调制策略。
背景技术
随着电动汽车、风力发电、光伏发电等新能源产业得到了蓬勃发展。谐振变换器作为其中被广泛应用的DC-DC变换器，具有高功率密度、高能量效率、高可靠性和优良的软开关特性，已经成为电力电子领域的研究热点。
谐振变换器一般采用脉冲频率调制策略(Pulse Frequency Modulation,PFM)，也即改变开关频率来调节输出增益。PFM调制的优点在于易于实现软开关、控制简单、具有大量成熟商业控制器可以选择和可以应用于各种拓扑结构，在谐振变换器中得到了大量应用。然而，PFM调制在宽输出应用场景下容易产生频率变化范围过宽的问题。过宽的开关频率会产生非常大的噪声，造成非常严重的电磁干扰问题；此外开关频率与固有谐振频率相差过大，软开关特性可能会无法保持，这将造成更高的开关损耗，更大的环流损耗，更大的输出纹波，从而降低效率；同时，磁性元件(变压器)的利用率低，降低了功率密度，增加了磁性元件设计复杂度，对驱动电路也提出了更高的设计要求。
为了解决传统谐振变换器采用PFM调制在宽输出应用中存在的频率变化范围过宽的问题，研究学者们提出了多种解决方案和改进策略，比如改进电路拓扑、优化调制测策略。由于后者成本低，易于实现，本研究主要在优化调制策略上进行改进。具体可分为：定频调制策略、定频与PFM混合调制策略等。
定频调制策略，开关频率恒定，避免了开关频率变化范围过宽的问题，高效利用了磁性元件，其中传统的移相(Phase-Shift,PS)调制策略被广泛使用。然而，当移相角较大时，软开关性能将丢失，且在重负载条件下的效率比PFM调制低。此外，不对称的占空比(Asymm etrical Duty-Cycle,ADC)调制策略和不对称电压消除(Asymmetrical Voltage-Cancellation,AVC)调制策略也应运而生。AVC调制相比PS调制和ADC调制具有更好的软开关特性，但只能实现0.5至1的归一化输出增益。
定频与PFM混合调制策略，其思路在于结合定频调制与PFM调制的优缺点：PFM调制便于实现ZVS，但在轻负载和低输出增益条件下开关频率的变化范围过宽。定频调制的优点在于开关频率是恒定的，但失去了宽软开关范围的特性。因而，结合PFM调制和定频调制的优缺点，一些研究学者提出了混合调制的概念，其中多模式切换调制被广泛应用。
发明内容
为了解决谐振变换器采用PFM策略在宽范围应用场景下导致的频率变化范围过宽的问题，结合PFM调制和定频调制的优缺点，本发明提出了一种自适应窄频率范围的PFM与AVC混合调制策略。混合调制策略具有一个自适应的切换频率ωn,shift，根据负载条件和期望增益进行调整。在归一化开关频率为1至ωn,shift的范围内采用PFM调制，在开关频率为ωn,shift处采用AVC调制。所提出的混合调制策略具有宽范围输出、宽负载范围、窄频率变化范围和全过程实现软开关的优点，并进行了实验验证。
本发明的技术方案如下：
一种自适应窄频率范围PFM和AVC混合调制策略，包括以下步骤：
步骤1：采样LLC谐振变换器的物理参量，具体通过传感器采集变换器的输出电压Vo和输出电流io，同时获得输出负载电阻Ro；
步骤2：对步骤1中采集到的变换器的电压Vo、电流Io进行控制；电压控制采用PI补偿，输出电压补偿网络中，通过传感器采样输出电压Vo，通过误差放大器比较反馈电压Vo和参考电压Vref，产生补偿电压，并通过电压控制振荡器(VCO)的大小产生相应频率的方波信号；电流控制采用混合控制的方式，通过输出电压Vo除以输出电流io可以得到负载电阻R0，进而可以得出当前工作环境的品质因数Qr。
步骤3：通过输入最小增益Mmin和当前工作环境下的品质因数Qr和期望的增益Mr，通过实现软开关的最小开关频率ωn,mini得到切换频率ωn,shift此时需要判断Mmin是否大于2/3。
如果Mmin大于2/3，则将品质因数Qr和期望的最小增益Mmin代入实现软开关的最小开关频率ωn,mini的公式，得到切换频率ωn,shift。
如果Mmin小于2/3，则将品质因数Qr和最小开关频率具有最大值的增益M＝2/3代入实现软开关的最小开关频率ωn,mini，得到切换频率ωn,shift。
步骤4：通过自适应PFM与AVC混合调制策略，调整ωn,α，实现当前环境期望的增益Mr。
通过比较期望增益Mr与PFM调制的最小增益MPFM,min来确定是采用PFM调制还是AVC调制。如果期望增益Mr大于MPFM,min，则采用PFM调制，其中开关频率为ωPFM，控制角为0。如果期望增益Mr小于MPFM,min，则采用AVC调制，其中开关频率为切换频率ωn,shift，控制角为αr。
步骤5：将步骤3中的得到的ωn,α送至驱动器driver中，得到g1,g2,g3,g4四个开关管的驱动信号，作用于LLC谐振变换器。
进一步的，步骤3的具体过程为：
由输出增益M表征的实现软开关的最小开关频率ωn,min：
Figure SMS_1
其中/>
Figure SMS_2
如果Mmin大于2/3，增益M＝Mmin，品质因数Q＝Qr；
如果Mmin小于2/3，增益M＝2/3，品质因数Q＝Qr；
进一步的，步骤4的具体过程为：
PFM调制的最小增益MPFM,min为：
Figure SMS_3
Mr大于MPFM,min，采用PFM调制，
开关频率ωPFM为：
Figure SMS_4
其中/>
Figure SMS_5
Mr小于MPFM,min，采用AVC调制，其开关频率为切换频率ωn,shift，控制角为αr
切换频率ωn,shift等于定频调制策略实现软开关的最小开关频率：
ωn,shift＝ωn,min
控制角为αr：
Figure SMS_6
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、实现宽范围输出和宽负载范围的同时，频率变化范围窄；
2、切换频率根据增益和负载条件自适应；
3、全过程实现ZVS。
本发明提出了一种自适应窄频率范围的PFM和AVC混合调制策略。本发明所提出的混合调制策略具有一个自适应的切换频率ωn,shift，根据最小增益Mmin和当前工作环境的品质因数Qr来进行调整。
附图说明
图1混合调制策略的原理框图
图2为自适应窄频范围PFM和AVC混合调制策略的控制框图。
图3为自适应窄频范围PFM和AVC混合调制策略的流程图。
图4为PFM-PS混合调制的实验过程波形。
图5为PFM-AVC混合调制的实验过程波形。
图6为宽输出范围的实验波形，PFM-AVC混合调制策略，输出增益Mmin＝0.7。
图7为宽输出范围的实验波形，PFM-PS混合调制策略，输出增益Mmin＝0.7
图8为宽负载范围的实验波形，PFM-PS混合调制策略，品质因数Qr＝1
图9为宽负载范围的实验波形，PFM-AVC混合调制策略，品质因数Qr＝1
具体实施方式
PS调制和ADC调制与AVC调制三种定频调制策略的输出增益M分别为：
Figure SMS_7
由(1)可知，变换器的输出增益M是一个关于归一化开关频率ωn、控制角α和品质因数Q的函数。本发明提出的PFM与AVC混合调制策略是对于归一化开关频率ωn和控制角α两个控制变量进行控制。
PS调制和ADC调制实现软开关的条件为：
Figure SMS_8
AVC调制实现软开关的条件为：
Figure SMS_9
联立式(1)和软开关条件式(2)-(3)，可以得到实现软开关的最小开关频率ωn,min：输出增益M表征的实现软开关的最小开关频率
Figure SMS_10
易知ωn,min与输出增益M和品质因数Q相关联，其中：
Figure SMS_11
PS调制和ADC调制与AVC调制三种定频调制策略在重载条件下都更容易实现软开关，但是在轻载条件下则不容易实现。
对于PS和ADC调制，最小开关频率随着输出增益M的增大而单调减小。因此，增益M越小、负载越轻，实现软开关的最小开关频率就越大。因此，为了实现较宽的软开关范围，开关频率要更大，使得远离变换器固有谐振频率，从而导致高环流损耗，降低变换器的效率，这是PS和ADC调制的问题所在。
对于AVC调制，当增益M从0.5变化到1时，最小开关频率首先增加，然后减少，存在一个最小开关频率的峰值点。通过对公式(4)和(5)进行求导，并令其导数为0，求取AVC调制的最小开关频率有一个最大值，此时增益M＝2/3。
AVC调制相比PS和ADC调制的优势在于：在增益M和品质因数Q相同的条件下，AVC调制实现软开关期望的开关频率更小，也即：ωn,min,AVC＜ωn,min,PS,ADC，特别是在轻负载和低输出增益条件下。因而，损耗减少，效率提高。
本发明所提出的自适应窄频率范围的PFM与AVC混合调制策略具有一个切换频率ωn,shift，切换频率ωn,shift等于定频调制策略实现软开关的最小开关频率：ωn,shift＝ωn,min；切换频率ωn,shift是自适应和可变的，根据最小增益Mmin和当前工作环境的品质因数Qr来进行调整。混合调制策略的原理框图如图1所示，主要分为2段：
PFM调制变频段：在归一化开关频率[1,ωn,shift]范围内采用PFM调制，只调节开关频率ωn，控制角α＝0。
AVC调制定频段：在开关频率为ωn,shift处采用AVC调制，此时只调节控制角α，开关频率ωn固定为ωn,shift。在整个过程中实现了软开关。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
参数定义及说明：
控制参数：归一化开关频率ωn、控制角α；
物理参数：输出电流Io、输出电压Vo、输入电压Vin、参考输出电压Vref、电感电流iL；
LLC参数：LLC的四个开关管为g1-g4、谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器匝数n、整流二极管D1-D4、输出电容Co、负载电阻Ro和阻抗Z0；
频率：固有谐振频率ω0、自适应的切换频率ωn,shift；
增益：最小输出增益值Mmin[0.5<Mmin<1]、输出增益M[Mmin,1]、当前工作环境期望的增益Mr[Mmin<Mr<1]、PFM调制的最小增益MPFM,min；
品质因数：品质因数Q、当前工作环境的品质因数Qr。
Qr是根据负载条件而变化的。在本发明中，通过传感器采样输出电压Vo和输出电流io，通过Vo/io得到负载电阻R0，通过公式(6)(7)进行计算的到得到当前工作环境的品质因数Qr。
Figure SMS_12
Figure SMS_13
本发明自适应窄频率范围的PFM与AVC混合调制策略的控制框图如图2所示，该控制框图主要包括：LLC变换器拓扑及控制回路。
工作原理为：通过传感器采样LLC变换器的电压Vo、电流Io参数，通过Vo/Io得到负载电阻Ro，进而得到当前品质因数Qr，再通过最小增益Mmin和品质因数Q求出频率切换频率ωn,shift，将参量输出给控制器，在控制器中实现混合调制，通过比较期望增益Mr和PFM调制的最小增益MPFM,min确定采用PFM调制还是AVC调制。最后，给出相移角度α和频率ωn输出给驱动器，驱动器输出驱动信号给g1,g2,g3,g4，以驱动LLC电路在期望增益Mr下工作。
本发明的技术方案如下：
一种自适应窄频率范围PFM和AVC混合调制策略，具体包括以下步骤：
步骤1：采样LLC谐振变换器的物理参量，使用电压和电流传感器分别采集输出电压Vo和输出电流io；
步骤2：对步骤1中采集的输出电压Vo和输出电流io进行控制；电压控制采用PI补偿，输出电压补偿网络中，通过传感器采样输出电压Vo，通过误差放大器比较反馈电压Vo和参考电压Vref，产生补偿电压，并通过电压控制振荡器(VCO)的大小产生相应频率的方波信号；电流控制采用混合控制的方式，通过输出电压Vo除以输出电流io可以得到负载电阻R0，进而通过(6)(7)可以得出当前工作环境的品质因数Qr，Qr是根据负载条件而变化的。
步骤3：通过输入最小增益Mmin和当前工作环境下的品质因数Qr和期望的增益Mr，实现软开关的最小开关频率ωn,mini的公式(4)和(5)得到切换频率ωn,shift，其流程如图3所示，此时需要判断Mmin是否大于2/3。
如果Mmin大于2/3，则将品质因数Qr和期望的最小增益Mmin代入实现软开关的最小开关频率ωn,mini的公式(4)和(5)，得到切换频率ωn,shift。
如果Mmin小于2/3，则将品质因数Qr和最小开关频率具有最大值的增益M＝2/3代入公式(4)和(5)，得到切换频率ωn,shift。
步骤4：通过自适应PFM与AVC混合调制策略，调整ωn,α，实现当前环境期望的增益Mr，。通过比较期望增益Mr与PFM调制的最小增益MPFM,min，来确定是采用PFM调制还是AVC调制。
PFM调制在开关频率范围[1,ωn,shift]内使用，其增益范围为[MPFM,min,1]，MPFM,min为PFM调制的最小增益，其公式：
Figure SMS_14
AVC调制在开关频率等于切换频率ωn,shift内使用，其增益范围[Mmin,MPFM,min]。
由于最小增益Mmin是AVC调制在切换频率ωn,shift且控制角α不等于零的条件下实现的因此MPFM,min一定大于最小增益Mmin。
根据期望增益与PFM调制的最小增益MPFM,min来确定调制方式。
A.如果期望增益Mr大于MPFM,min，则采用PFM调制，与之对应的开关频率记为ωPFM，此时控制角α为0。
根据PFM调制的增益公式，可以得到开关频率ωPFM为：
Figure SMS_15
其中，
Figure SMS_16
B.如果期望增益Mr小于MPFM,min，则采用AVC调制，此时的开关频率即为切换频率ωn,sh ift，控制角为αr，根据式(1)整理可以得到αr：
Figure SMS_17
采用混合调制的方式，在PFM调制不能满足更宽的电压增益范围要求的情况下，采用AVC调制的方式，通过调节控制角α，以达到期望的增益Mr。
值得注意的是，当目前增益为最小增益Mmin时，控制角α最大，记做αr,max。进一步的，若期望增益极低时，控制角α＝π，理论上，采用AVC调制的方式可以实现更低的增益0.5MPFM, min。
步骤4.将步骤3中的得到的ωn,α送至驱动器driver中，得到g1,g2,g3,g4四个开关管的驱动信号，作用于LLC谐振变换器。
实施例1
实验条件
为验证本发明所提出的改进型混合定频调制策略，搭建了一台80V输入、最高功率800W的实验样机进行了实验，具体实验参数：输入电压Vin为80V，最大输出功率Po为800W，谐振电感Lr为27μH，谐振电容Cr为0.1μF，开关频率fs为100kHz，由谐振电感和谐振电容可以计算得到固有谐振频率f0为96.86kHz，输出电容Co为两个550μF的电解电容，开关管的型号为IPP60R099CP，二极管的型号为DSA90C200HB。
在归一化开关频率[1,ωn,shift]范围内采用PFM调制，在开关频率为ωn,shift处采用定频调制策略(PS调制或AVC调制)。
1-混合调制策略的实验过程
当最小输出增益Mmin固定为0.7，品质因数Qr固定为0.8，根据公式(4)和(5)，可以得出，PFM-PS和PFM-AVC混合调制策略的切换频率ωn,shift分别等于1.5倍和1.25倍的谐振频率ω0。图4和图5分别展示了PFM-PS和PFM-AVC混合调制策略增益由大到小调节并最终实现最小增益的实验过程波形，其中方波Vab的刻度为20V/div，谐振电流iL为2A/div。可以看出，本发明所提出的PFM和定频混合调制策略(即在开关频率[1,ωn,shift]范围内采用PFM调制，在切换频率ωn,shift处采用定频调制)，在全过程中都可以实现ZVS。此外，本发明所提出的PFM和AVC混合调制可以实现更窄的开关频率范围。
2-宽输出范围验证
固定输出增益、改变负载条件：最小输出增益Mmin固定为0.7，品质因数Qr在0.5、1和2之间变化。PFM-PS和PFM-AVC混合调制策略实现最小增益Mmin的实验波形分别如图6、图7所示，在切换频率ωn,shift和控制角αr,max时实现最小输出增益Mmin的波形，其中输入到谐振腔的方波Vab的刻度为20V/div，谐振电流iL为2A/div。从图5可以看出，在不同的负载条件下，为了实现相同的增益，本章所提出的PFM和AVC混合调制策略具有较低的开关频率，特别是在轻载条件下，频率降低更为明显，从而可以降低损耗和提升效率。
3-宽负载范围验证
固定负载条件，改变输出增益：品质因数Qr固定为1，最小输出增益Mmin在0.5、0.7和0.9之间变化。两种混合调制策略的实验波形分别如图8和图9所示，展示的波形均为不同调制策略在切换频率ωn,shift和控制角αr,max时实现最小输出增益Mmin的波形，其中输入到谐振腔的方波Vab的刻度为20V/div，谐振电流iL为2A/div。由8和图9可以看出，在相同的负载条件下，为了实现同样的增益，本章所提出的PFM-AVC混合调制策略具有更低的开关频率，特别是在低输出增益条件下，开关频率降低更明显。
在实现软开关的前提下，在相同的输出增益和负载条件下，相比于PFM-PS混合调制策略，本章所提出的PFM-AVC混合调制策略具有更窄的频率变化范围，可以减少损耗，提高效率。此外，在轻负载和低输出增益条件下，频率变化范围减小更为明显。
本发明提出了一种自适应窄频率范围的PFM-AVC混合调制策略，以解决传统PFM调制应用于宽输出应用中频率变化范围过宽的问题。在实现宽范围输出和宽负载范围的同时实现窄频率变化范围；自适应切换频率ωn,shift，根据品质因数Q和输出增益M来进行调整；并且在整个工作过程中实现了软开关。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种自适应窄频率范围的PFM与AVC混合调制策略，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采样LLC谐振变换器的物理参量，具体通过传感器采集变换器的输出电压Vo和输出电流io，同时获得输出负载电阻Ro；
步骤2：对步骤1中采集到的变换器的电压Vo、电流Io进行控制；电压控制采用PI补偿，输出电压补偿网络中，通过传感器采样输出电压Vo，通过误差放大器比较反馈电压Vo和参考电压Vref，产生补偿电压，并通过电压控制振荡器(VCO)的大小产生相应频率的方波信号；电流控制采用混合控制的方式，通过输出电压Vo除以输出电流io可以得到负载电阻R0，进而可以得出当前工作环境的品质因数Qr。
步骤3：通过输入最小增益Mmin和当前工作环境下的品质因数Qr和期望的增益Mr，通过实现软开关的最小开关频率ωn,mini得到切换频率ωn,shift此时需要判断Mmin是否大于2/3。
如果Mmin大于2/3，则将品质因数Qr和期望的最小增益Mmin代入实现软开关的最小开关频率ωn,mini的公式，得到切换频率ωn,shift。
如果Mmin小于2/3，则将品质因数Qr和最小开关频率具有最大值的增益M＝2/3代入实现软开关的最小开关频率ωn,mini，得到切换频率ωn,shift。
步骤4：通过自适应PFM与AVC混合调制策略，调整ωn,α，实现当前环境期望的增益Mr。
通过比较期望增益Mr与PFM调制的最小增益MPFM,min来确定是采用PFM调制还是AVC调制。如果期望增益Mr大于MPFM,min，则采用PFM调制，其中开关频率为ωPFM，控制角为0。如果期望增益Mr小于MPFM,min，则采用AVC调制，其中开关频率为切换频率ωn,shift，控制角为αr。
步骤5：将步骤3中的得到的ωn,α送至驱动器driver中，得到g1,g2,g3,g4四个开关管的驱动信号，作用于LLC谐振变换器。
2.如权利要求1所述的自适应窄频率范围的PFM与AVC混合调制策略，其特征在于，所述的LLC变换器拓扑结构包括：输入直流电压Vin经过由开关管S1-S4所组成的全桥逆变结构，在A、B两点形成了一个方波电压Vab，输入到由谐振电感Lr和谐振电容Cr所组成的谐振腔，产生了谐振电流iL。一次侧所形成的交流电
流经过功率变压器Tx传输到二次侧，经过由二极管D1-D4所组成的全桥整流结构，
并经过输出电容Co的稳压作用，在负载电阻R0处形成直流输出电压Vo。
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