CN116365879A - 一种新型双向llc电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型双向LLC谐振电路及其控制方法，属于电力电子技术领域。本发明采样单元的输出端与控制器的输入端相连，采样单元采集双向LLC变换器两侧的电压，控制器输出信号到双向LLC变换器进行控制，控制器输出信号到模式切换单元确定模式切换单元状态，模式切换单元状态在正向工作时模式切换单元开通，反向工作时模式切换单元关断。本发明利用继电器切入\切出辅助电感，有效抑制了反向工作时输入电流所产生的较大的di/dt。通过电压采样，采用电压闭环控制，实现了双侧同步整流，与传统双向LLC谐振电路相比，控制方法精确、有效的减小了关断损耗及尖峰电压，提高了电路的工作效率，可用于不同类型、不同大小的负载，适应性强。

Description

一种新型双向LLC电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种新型双向LLC电路及其控制方法，属于电力电子技术领域。
背景技术
近年来，随着新能源汽车、储能技术及充电技术的飞速发展，能够实现功率双向流动的隔离型DC-DC变换器受到越来越多的关注。在众多拓扑中，LLC谐振电路因其具有原边ZVS、副边ZCS、便于磁集成等特点，在通信电源、服务器电源、电源适配器、不同功率的充电器等高效率电源中得到了广泛应用；而双向LLC谐振变换器也成了新能源双向电源领域能够实现充放电的最重要电路形式之一。
传统的LLC谐振变换器二次侧的二极管导通损耗占总功率损耗的一半以上，这部分损耗在低压大电流工况下会更大。因此LLC工作时可采用同步整流来进一步提高变换器效率，传统的同步整流控制方式多从硬件电路入手进行改进，通过增加控制芯片数量或利用变压器绕组，增加了设计成本的，且电路中的寄生参数也会对控制时序造成影响。
此外，LLC正向工作时因其需要较小的两个谐振电感，通常做磁集成设计时，将变压器漏感作为第一谐振电感、变压器励磁电感作为第二谐振电感参与工作。当工作在反向状态时，较小的励磁电感上会产生不可忽略的电流，同时二次侧无法实现软开关，这将导致较大的di/dt，同时漏感映射到二次侧，使得二次侧开关管上产生极高的关断电压，这严重的限制了反向LLC工作能力。为克服LLC正反向不能兼容的问题，衍生出了CLLC、CLLLC等拓扑。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型双向LLC谐振电路及其控制方法。本控制方法将根据对两端口的采样结果来确定工作方向，从而确定模式切换单元状态。当检测到一次侧接入电源，则设定在正向工作时，通过继电器切入辅助电感，使之参与谐振。当二次侧接入电源时，则控制继电器切出辅助电感，减小了由于第二谐振电感上电流而产生的关断损耗。
正反向软起动时，以较小的占空比、较高的频率启动，避免了较大的冲击损坏电路。当进入正常工作时，则引入电压环及同步整流控制，根据开关频率与谐振频率的关系直接输出同步整流驱动信号，无需增加额外硬件电路，实现同步整流的精准控制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种新型双向LLC电路，所述新型双向LLC电路包括双向LLC谐振变换器、模式切换单元、采样单元和控制器，采样单元的输出端与控制器的输入端相连，采样单元采集双向LLC变换器两侧的电压，控制器输出信号到双向LLC变换器进行控制，控制器输出信号到模式切换单元确定模式切换单元状态，模式切换单元状态在正向工作时模式切换单元开通，反向工作时模式切换单元关断。
本发明一种新型双向LLC电路，所述采样单元包括一次侧电压采样和低压侧电压采样。
本发明一种新型双向LLC电路，所述双向LLC谐振变换器的两侧端口皆为直流端口。
本发明一种新型双向LLC电路，所述双向LLC谐振变换器采用普通平面组装变压器，增设辅助电感作为双向LLC谐振变换器的第二谐振电感，并联在双向LLC谐振变换器两侧；采样单元与双向LLC谐振变换器直接相连；控制器为电路提供驱动信号及模式切换控制。
一种新型双向LLC电路的控制方法，所述控制器输出信号控制双向LLC变换器包括正向控制部分和反向控制部分；正向控制部分包括正向软起动控制、正向LLC电压环调节单元、同步整流控制单元和辅助电感切入控制，正向软起动控制、正向LLC电压环调节单元和辅助电感切入控制实现变换器正向启动及稳定工作，二次侧同步整流控制单元根据开关频率与谐振频率的关系生成整流管的驱动信号；反向控制部分包括反向软起动控制、反向LLC电压环调节单元、一次侧同步整流控制单元和辅助电感切出控制，反向软起动控制、反向LLC电压环调节单元和辅助电感切出控制实现变换器反向启动及稳定工作，一次侧同步整流控制单元根据开关频率与谐振频率的关系生成整流管的驱动信号。
本发明一种新型双向LLC电路的控制方法，所述正向控制部分通过采样单元采集双向LLC谐振变换器二次侧电压U2，与其电压基准值U2 *比较得到电压误差ΔU2，经PI控制器调节后输出频率fs-1作为开关频率控制该双向LLC谐振变换器开关管工作状态；开启运行时首先控制模式切换单元使辅助电感切入电路参与工作，同时开关管以较小占空比开始工作，并逐渐增大占空比；启动阶段结束后，以0.5占空比作为稳定工作状态，以达到正向软起动及稳定工作之控制。
本发明一种新型双向LLC电路的控制方法，所述反向控制部分通过采样单元采集双向LLC谐振变换器一次侧电压U1，与其电压基准值U1 *比较得到电压误差ΔU1，经PI控制器调节后输出频率fs-2作为开关频率控制该双向LLC谐振变换器开关管工作状态；开启运行时首先控制模式切换单元使辅助电感切出电路，不再参与工作，同时开关管以较小占空比开始工作，并逐渐增大占空比；启动阶段结束后，以0.5占空比作为稳定工作状态，以达到反向软起动及稳定工作之控制。
本发明一种新型双向LLC电路的控制方法，所述同步整流控制单元通过对双向LLC谐振变换器的开关频率fs与谐振频率fr进行比较，得出LLC谐振变换器二次侧开关管的驱动控制信号，当fs-1≥fr时，低压端整流管驱动控制信号与高压端开关管相同；当fs-1＜fr时，二次侧整流管与高压端开关管同时导通，导通时间为谐振周期Tr的1/2。
由于采用以上技术方案，本发明相比现有技术具有以下有益效果：
1)本发明的一种新型双向LLC电路及其控制方法与传统双向LLC谐振电路相比，在兼顾正向工作时，能有效减小反向工作时的关断损耗和开关管的尖峰电压，电路实现简单。
2)本发明的一种新型双向LLC电路及其控制方法与传统双向LLC谐振电路相比，能够根据双边电压采样，自动判定工作方向，通过数字控制技术，实现正反向同步整流，减小了损耗。
3)本发明的一种新型双向LLC电路及其控制方法能根据工作状态提前切入\切出辅助电感，避免该支路对谐振工作的影响。
4)本发明的一种新型双向LLC电路及其控制方法与传统双向LLC谐振电路相比，反向工作时，可实现更宽范围的PFM调制，能适应电阻负载、阻感负载以及非线性负载等多种不同负载，负载适应性强。
附图说明
通过以下参照附图对本发明进行描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明中一种新型双向LLC电路的结构框图；
图2为本发明中一种新型双向LLC电路的控制器框图；
图3为本发明中一种新型双向LLC电路的辅助电感及切换示意图
图4为本发明中一种新型双向LLC电路的正向控制示意图；
图5为本发明中一种新型双向LLC电路的反向控制示意图；
图6为本发明中一种新型双向LLC电路的正向同步整流控制框图；
图7为本发明中一种新型双向LLC电路的的控制流程图。
具体实施方式
为更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的工作原理和实施方式作进一步描述。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
具体实施方式一：根据说明书附图1-7，本发明一种新型双向LLC电路及其控制方法，所述电路包括双向LLC谐振变换器、辅助电感回路、模式切换单元、采样单元和控制器。本电路为双向工作电路，两侧端口皆为直流端口。谐振变换器中变压器采用普通变压器，初级侧绕组用多股三层绝缘线，均匀分布于5组次级铜带间隙内，尽可能地减小漏感。同时在电路中增设继电器串联辅助电感作为LLC的第二谐振电感，并联在变压器两侧；采样单元采集两端口电压及电流；控制器为电路提供驱动信号及模式切换控制。
本发明一种新型双向LLC电路及其控制方法，所述模式切换包括正向切换开关、逆向切换开关及双向软起动模式。
本发明一种新型双向LLC电路及其控制方法，所述采样单元包括一次侧电压采样和低压侧电压、电流采样。
本发明一种新型双向LLC电路及其控制方法，所述控制器包括正向软起动及驱动控制、反向软起动及驱动控制。正向控制部分包括正向软起动控制、正向LLC电压环调节单元、同步整流控制单元、辅助电感切入控制；正向软起动控制、正向LLC电压环调节单元和辅助电感切入控制实现变换器正向启动及稳定工作，二次侧同步整流控制单元根据开关频率与谐振频率的关系生成整流管的驱动信号。反向控制包括反向软起动控制、反向LLC电压环调节单元、一次侧同步整流控制单元、辅助电感切出控制。反向软起动控制、反向LLC电压环调节单元和辅助电感切出控制实现变换器反向启动及稳定工作，一次侧同步整流控制单元根据开关频率与谐振频率的关系生成整流管的驱动信号。
本发明一种新型双向LLC电路及其控制方法，所述正向软起动及驱动控制通过采样单元采集二次侧电压U2，与其电压基准值U2 *比较得到电压误差ΔU2，经PI控制器调节后输出频率fs-1作为开关频率控制该LLC变换器开关管工作状态；开启运行时首先控制继电器使辅助电感切入电路参与工作，同时开关管以较小占空比开始工作，并逐渐增大占空比。启动阶段结束后，以0.5占空比作为稳定工作状态，以达到正向软起动及稳定工作之控制。
本发明一种新型双向LLC电路及其控制方法，所述充电控制的二次侧同步整流控制单元通过对开关频率fs与谐振频率fr进行比较，得出DC-DC变换器二次侧开关管的驱动控制信号，当fs-1≥fr时，低压端整流管驱动控制信号与高压端开关管相同；当fs-1＜fr时，二次侧整流管与高压端开关管同时导通，导通时间为谐振周期Tr的1/2。
本发明一种新型双向LLC电路及其控制方法，反向软起动及驱动控制通过采样单元采集一次侧电压U1，与其电压基准值U1 *比较得到电压误差ΔU1，经PI控制器调节后输出频率fs-2作为开关频率控制该LLC变换器开关管工作状态；开启运行时首先控制继电器使辅助电感切出电路，不再参与工作，同时开关管以较小占空比开始工作，并逐渐增大占空比。启动阶段结束后，以0.5占空比作为稳定工作状态，以达到反向软起动及稳定工作之控制。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式所述的一种新型双向LLC电路的结构。电路包括双向LLC谐振变换器、模式切换单元、采样单元和控制器。本电路为双向工作电路，两侧端口皆为直流端口。
具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式所述的一种新型双向LLC电路的控制器框图，控制器作为核心，控制双向LLC谐振电路的工作状态，包括正向模式切换及其控制及反向模式切换及其控制。根据采样电压判定工作方向，决定辅助电感是否参与工作。电路启动后能实现软起动及同步整流。
具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式所述的一种新型双向LLC电路的辅助电感及切换。第二谐振电感在反向工作时不能参与工作，否则会带来不利影响。故通过在电路中通过继电器串第二谐振电感，在正向工作时控制继电器开通将电感切入，在反向工作时通过控制继电器将该电感切出，反向工作时提前关断的方式来降低此电感的影响。
具体实施方式五：下面结合图4说明本实施方式所述的一种新型双向LLC电路的正向控制。采样环节采集二次侧的直流电压与参考值做差，将差值作为LLC谐振电路的电压环调节单元的输入。进入软起动环节后，若判定需要软起动则执行高频低占空比软起动控制措施，若不需要则跳过。生成带有死区、最大占空比为0.5的LLC谐振变换器控制信号；将开关频率输入同步整流控制单元，生成LLC谐振变换器低压侧的同步整流控制信号。
本实施方式所述的一种新型双向LLC电路的正向工作模式具体为：
S1.将电压期望值U2 *减去二次侧电压U2，得到正向电压误差信号ΔU2，即ΔU2＝U2 *-U2；
S2.将步骤S1中得到的电压误差信号ΔU2输入到比例积分控制器中得到频率fv；
S3.将步骤S2所得频率进入软起动模式。若需要进行软起动，则采用低占空比、高频的方式启动。若不许软起动则跳过。稳定输出频率为fs-1
S4.将0.5占空比与频率为fs-1的载波进行比较，获得LLC谐振变换器开关控制信号，开关控制信号控制变换器中功率开关的通断动作。
S5.将所述谐振频率fr与步骤S3中得到的开关频率fs-1比较，当fs-1≥fr时，二次侧整流管驱动控制信号与高压端开关管相同；当fs-1＜fr时，二次侧整流管与一次侧开关管同时导通，导通时间为谐振周期Tr的1/2。
具体实施方式六：下面结合图5说明本实施方式所述的一种新型双向LLC电路的逆向控制。将一次电压期望值与参考电压值做差，将差值作为反向LLC电压环调节单元的输入，计算生成变换器控制信号。
本实施方式所述的一种新型双向LLC电路的反向工作模式具体为：
S1.获取直流母线电压期望值U1 *、直流母线输出电压U1；
S2.将所述直流母线电压期望值U1 *减去直流母线电压U1，得到直流母线电压误差信号ΔU1，即ΔU1＝U1 *-U1；
S3.将步骤S2中得到的直流母线电压误差信号ΔU1输入到比例积分控制器中并进入软起动模式，若需要进行软起动，则采用低占空比、高频的方式启动。若不许软起动则跳过。稳定输出频率为fs-2；
S4.将0.5占空比与频率为fs-2的载波进行比较，获得反向LLC变换器开关控制信号，开关控制信号控制变换器中功率开关的通断动作
S6.将所述谐振频率fr与步骤S3中得到的开关频率fs-2比较，当fs-1≥fr时，二次侧整流管驱动控制信号与高压端开关管相同；当fs-1＜fr时，二次侧整流管与一次侧开关管同时导通，导通时间为谐振周期Tr的1/2。
具体实施方式七：下面结合图6说明本实施方式所述的一种新型双向LLC电路的同步整流控制策略。首先判断LLC变换器的开关频率fs与谐振频率fr的关系；若fs≥fr，整流侧开关管的驱动信号与主开关管驱动信号相同；若fs＜fr，整流侧开关管与主开关管同时导通，导通时间为导通时间为谐振周期Tr的1/2。
具体实施方式八：下面结合图7说明本实施方式所述的一种新型双向LLC电路的控制流程图。电路起动前，首先根据接入电压的控制信号判定工作方向。若正向工作时，则需继电器闭合，第二谐振电感参与工作。若此时输出电压较小则变换器不工作。当电压达到一定值，首次起动时启用软起动。正常工作后跳出软起动程序。若反向工作室，则继电器断开，第二谐振电感不参与工作。当输入电压达到一定值时，首次起动时启用软起动。正常工作后跳出软起动程序。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种新型双向LLC电路，其特征在于：所述新型双向LLC电路包括双向LLC谐振变换器、模式切换单元、采样单元和控制器，采样单元的输出端与控制器的输入端相连，采样单元采集双向LLC变换器两侧的电压，控制器输出信号到双向LLC变换器进行控制，控制器输出信号到模式切换单元确定模式切换单元状态，模式切换单元状态在正向工作时模式切换单元开通，反向工作时模式切换单元关断。
2.根据权利要求1所述的新型双向LLC电路，其特征在于：所述采样单元包括一次侧电压采样和低压侧电压采样。
3.根据权利要求1所述的新型双向LLC电路，其特征在于：所述双向LLC谐振变换器的两侧端口皆为直流端口。
4.根据权利要求1所述的新型双向LLC电路，其特征在于：所述双向LLC谐振变换器采用普通平面组装变压器，增设辅助电感作为双向LLC谐振变换器的第二谐振电感，并联在双向LLC谐振变换器两侧；采样单元与双向LLC谐振变换器直接相连；控制器为电路提供驱动信号及模式切换控制。
5.根据权利要求1-4所述的新型双向LLC电路的控制方法，其特征在于：所述控制器输出信号控制双向LLC变换器包括正向控制部分和反向控制部分；正向控制部分包括正向软起动控制、正向LLC电压环调节单元、同步整流控制单元和辅助电感切入控制，正向软起动控制、正向LLC电压环调节单元和辅助电感切入控制实现变换器正向启动及稳定工作，二次侧同步整流控制单元根据开关频率与谐振频率的关系生成整流管的驱动信号；反向控制部分包括反向软起动控制、反向LLC电压环调节单元、一次侧同步整流控制单元和辅助电感切出控制，反向软起动控制、反向LLC电压环调节单元和辅助电感切出控制实现变换器反向启动及稳定工作，一次侧同步整流控制单元根据开关频率与谐振频率的关系生成整流管的驱动信号。
6.根据权利要求5所述的新型双向LLC电路的控制方法，其特征在于：所述正向控制部分通过采样单元采集双向LLC谐振变换器二次侧电压U2，与其电压基准值U2 *比较得到电压误差ΔU2，经PI控制器调节后输出频率fs-1作为开关频率控制该双向LLC谐振变换器开关管工作状态；开启运行时首先控制模式切换单元使辅助电感切入电路参与工作，同时开关管以较小占空比开始工作，并逐渐增大占空比；启动阶段结束后，以0.5占空比作为稳定工作状态，以达到正向软起动及稳定工作之控制。
7.根据权利要求5所述的新型双向LLC电路的控制方法，其特征在于：所述反向控制部分通过采样单元采集双向LLC谐振变换器一次侧电压U1，与其电压基准值U1 *比较得到电压误差ΔU1，经PI控制器调节后输出频率fs-2作为开关频率控制该双向LLC谐振变换器开关管工作状态；开启运行时首先控制模式切换单元使辅助电感切出电路，不再参与工作，同时开关管以较小占空比开始工作，并逐渐增大占空比；启动阶段结束后，以0.5占空比作为稳定工作状态，以达到反向软起动及稳定工作之控制。
8.根据权利要求6-7所述的新型双向LLC电路及其控制方法，其特征在于：所述同步整流控制单元通过对双向LLC谐振变换器的开关频率fs与谐振频率fr进行比较，得出LLC谐振变换器二次侧开关管的驱动控制信号，当fs-1≥fr时，低压端整流管驱动控制信号与高压端开关管相同；当fs-1＜fr时，二次侧整流管与高压端开关管同时导通，导通时间为谐振周期Tr的1/2。
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