CN118523592A - 一种预防半桥llc变换器硬换向控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半桥LLC变换器领域，尤其涉及一种预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，包括以下步骤：步骤一：测量并获取半桥LLC变换器谐振腔的谐振电流、谐振电容电压、谐振电流过零点和谐振电压过零点以及对应波形信号；步骤二：测量谐振电流与半桥中点电压的相位差，根据相位差判断半桥LLC变换器的工作点是否处于容性负载区；步骤三：当半桥LLC变换器的工作点处于非容性负载区时，采用延时启动时序控制半桥LLC变换器进行软启动，直至正常运行。本发明基于谐振电流过零点检测电路和软启动驱动，解决半桥LLC变换器启动炸机问题，并通过获取谐振腔电流和谐振电压的相位差信息，及时判断是否工作在容性工作区，并能预防进入容性区，极大提高变换器的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半桥LLC变换器领域，具体为一种预防半桥LLC变换器硬换向控制方法。
背景技术
半桥LLC变换器是主流的软开关谐振DC-DC变换器，具有原边零电压开关(ZVS-zero voltage switching)和副边零电流开关(ZCS-zero current switching)的特性，因此能实现高效率和高功率密度，是DC-DC变换器主要的拓扑结构。但是半桥LLC有一个关键的技术问题需要解决，即原边高压MOSFET管体二极管硬换向(Hard Commutation)，特别是在变换器启动过程、burst脉冲模式和输出短路，会造成原边MOSFET管失效，甚至炸机。另外，在负载跳变、容性负载工作区也会出现硬换向导致变换器损坏。
图1、2为半桥LLC主电路结构，其中Q1为高边(HS-High Side)MOSFET，Q2为低边(LS-Low Side)MOSFET，Cr、Lr、Lm组成谐振腔，LLC工作原理是通过输出电压反馈动态调节Q1和Q2的开关频率，从而控制输出电压稳定，在全载条件下实现原边ZVS和副边ZCS，特别是使开关频率接近谐振频率，此时效率最高。
硬换向是半桥LLC结构最危险的一个现象，其失效机理是在启动过程中，如低边Q2关断，但其体二极管BD2没有完全反向恢复，此时如果Q1开通，母线电压加在Q2的Drain和Source之间，Q2的体二极管BD2流过较大的反向电流，产生类似直通(shoot through)现象，此时，Q2承受非常大的应力，导致首先失效，接着Q1损坏。
硬换向失效的根本原因是谐振电容的初始不平衡电压，从而导致变压器原边磁通不平衡，目前常见的解决方法是优化主电路设计，如优化LLC增益曲线形状，或采用2个谐振电容取代经典的1个谐振电容，串联在母线电压之间，分别与高低边的MOSFET并联，但需要增加1个谐振电容，不利于电源模块功率密度提升。这些改进的主电路设计，由于功率器件参数差异、基于FHA(基波逼近法)在开关频率偏离谐振频率的工作点精度变差等影响，不可能精准预测和避免所有可能出现硬换向的条件，原有方法有局限性。
发明内容
针对现有技术中半桥LLC变换器的硬换向预测方法精度较低的问题，本发明提供一种预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，通过简单的硬件电路和控制算法，避免所有可能触发硬换向的条件，能极大提高半桥LLC工作的可靠性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，包括以下步骤：
步骤一：测量并获取半桥LLC变换器谐振腔的谐振电流、谐振电容电压、谐振电流过零点和谐振电压过零点以及对应波形信号；
步骤二：测量谐振电流与半桥中点电压的相位差，根据相位差判断半桥LLC变换器的工作点是否处于容性负载区；
步骤三：当半桥LLC变换器的工作点处于非容性负载区时，采用延时启动时序控制半桥LLC变换器进行软启动，直至正常运行。
优选的，步骤一中，谐振电压过零点通过三极管比较电路获得。
优选的，步骤一中，谐振电流过零点的波形由谐振电压过零点的波形超前移相90°获得。
优选的，步骤二中，谐振电流与半桥中点电压的相位差通过捕获PWM输出下降沿和与其对应的谐振电流过零点之间的时间差来获取。
优选的，谐振电流过零点由过零点信号上升沿进行监测，测量驱动下降沿和过零点信号上升沿的时间即为谐振电压与谐振电流的相位差。
优选的，捕获相位差时，取前一个PWM边沿到谐振电流过零点的时间用作捕获的时间。
优选的，当相位差小于预先设定的门槛值且趋向为零时，通过减小输出电压的目标值增大开关频率；若连续增大开关频率后相位差仍小于设定的门槛值，则变换器关闭输出；
当相位差的门槛值在两个连续采样周期内为零或者负数时，此时变换器进入容性模式，变换器立即关断。
优选的，半桥LLC变换器的启动步骤如下：
预充阶段：在半桥LLC变换器启动之前，施加充电脉冲给低边LS MOSFET，此时高边HS MOSFET关断，之后高边、低边均关断100us；
延时启动阶段：在谐振电流过零点之后，施加固定延迟，然后分别输出高边PWM和低边PWM；
启动阶段：通过定时器复制机制驱动PWM，此时检测输出电源并执行软启动，当输出电压通过反馈环路进行调制时，变换器进入正常工作阶段。
优选的，以谐振电流两个连续过零点的时间作为定时器复制机制的复制周期。
优选的，谐振电流两个连续过零点的时间通过DSP内部捕获单元逐波捕获。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一种半桥LLC变换器硬换向失效检测电路通过采样谐振电容电压、容性分压电路以及简单的三极管比较电路，实现谐振电流的测量和过零点检测，为解决硬换向问题提供硬件基础。当开关频率等于或者接近谐振频率，谐振腔电流接近正弦，谐振电容上的电压也为正弦，通过从谐振电容上的电压采样，通过容性降压电路和半桥整流电路，以及取样电阻生成和谐振电流成比例的电压信号，从而测量谐振电流的有效值。
进一步的，谐振电容降压电路通过三极管比较电路获得谐振电压的过零点波形，通过超前叠加90度获得谐振电流的过零点ZCD(ZCD-zero crossing detection)。
进一步的，基于相位差信息，提出一种容性模式预防和容性模式检测的保护机制，也就是通过测量谐振电流和中点电压的相位差能快速有效判断变换器是否工作在容性区或者有容性工作点趋势，并能预防变换器进入容性工作区，提高变换器的可靠性。
附图说明
图1为半桥LLC结构的示意图；
图2为半桥LLC结构的波形图；
图3为本发明实施例中谐振电流的检测电路的示意图；
图4为本发明实施例中半桥LLC的驱动电路示意图；
图5为本发明实施例中半桥LLC的控制电路示意图；
图6为本发明实施例中1kW半桥LLC变换器电路中谐振电流ir(红色)和谐振电容电压Vcr(绿色)的波形图；
图7为本发明实施例中谐振电压过零点和谐振电流对比的信号波形图；
图8为本发明中谐振电流ir过零点计算示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，包括以下步骤：
步骤一：测量并获取半桥LLC变换器谐振腔的谐振电流、谐振电容电压、谐振电流过零点和谐振电压过零点以及对应波形信号。
当开关频率等于或者接近谐振频率，谐振腔电流接近正弦，谐振电容上的电压也为正弦。以1kW半桥LLC变换器电路为例，采用如图3、4、5所示的电路图，谐振电流检测电路中通过采样谐振电容(C9)上的电压，该电压通过容性降压电路、半桥整流电路以及分压电阻，生成与谐振电流成比例的电压信号，从而测量谐振电流的有效值。
其中，谐振电流ir超前谐振电容电压Vcr90°，如图6所示谐振电流ir(红色)和谐振电容电压Vcr(绿色)。
谐振电压过零点通过三极管比较电路获得，谐振电压过零点的波形超前移相90°获得谐振电流的过零点ZCD(ZCD-zero crossing detection)的波形(如图7所示)。
三极管比较电路包括三极管Q4和电阻R35，三极管Q4为NPN型三极管，三极管Q4的基极接入谐振测量电路中二极管D3的阳极，三极管Q4的发射级接地，三极管Q4的集电极直接输出谐振电流过零点ZCD，集电极接电阻R35输出谐振电压过零点。
步骤二：测量谐振电流与半桥中点电压的相位差，根据相位差判断半桥LLC变换器的工作点是否处于容性负载区。
其中，谐振电流与半桥中点电压的相位差通过捕获PWM输出下降沿和与其对应的谐振电流过零点之间的时间差来获取。如图8所示，谐振电流过零点由过零点信号上升沿进行监测，测量驱动下降沿和过零点信号上升沿的时间(也就是低边驱动关断到谐振电流开始反向的时间)即为谐振电压与谐振电流的相位差。
为增强算法的鲁棒性，取前一个PWM边沿到谐振电流过零点的时间用作捕获的时间，这样能测量负相位从而能快速检测容性负载模式。基于所捕获的时间信息和开关频率，实际的相位差通过软件算法来计算。
当相位差小于预先设定的门槛值且趋向为零时，通过减小输出电压的目标值增大开关频率；若连续增大开关频率后相位差仍小于设定的门槛值，则变换器关闭输出；
当相位差的门槛值在两个连续采样周期内为零或者负数时，此时变换器进入容性模式，变换器立即关断。
步骤三：当半桥LLC变换器的工作点处于非容性负载区时，采用延时启动时序控制半桥LLC变换器进行软启动，直至正常运行。
半桥LLC变换器的启动步骤如下：
预充阶段：在半桥LLC变换器启动之前，施加一个20us的脉冲给低边LS MOSFET，此时高边HS MOSFET关断，之后高边、低边均关断100us；这个阶段是给半桥结构的自举电容充电，然后才能施加正确的PWM输出时序。其中，20us是一个实际测试采用的值，这个值不能太大，主要是低边mos导通后给自举电容进行充电，保证驱动电压稳定。时序上20us在前，100us在后。
延时启动阶段：在谐振电流过零点之后，施加固定延迟(如100s)，然后分别输出高边PWM和低边PWM，这样就可以避免MOSFET体二极管电流未完全反向恢复之前，有上下管的PWM输出，造成直通而损坏。在这个阶段中，PWM驱动是在谐振电流过零点比较而输出的，也就是在谐振电流过零点之后，延迟了高边PWM和低边PWM的输出变化，从而可以保证谐振电流极性发生变化，避免硬换向现象。固定延迟时间100us为选择的典型延迟，可以在100us的基础上进行调整，原则上是同时关断高边和低边的MOS，避免触发同时导通的情况。
启动阶段：通过定时器复制机制驱动PWM，此时检测输出电源并执行软启动，当输出电压通过反馈环路进行调制时，变换器进入正常工作阶段。在这个阶段中通过定时器复制机制来驱动PWM可以保证PWM驱动的平滑切换。
其中，以谐振电流两个连续过零点的时间作为定时器复制机制的复制周期；其中，谐振电流两个连续过零点的时间通过DSP内部捕获单元逐波捕获。
本发明一种预防半桥LLC变换器硬换向控制方法基于谐振电流过零点检测电路和避免硬换向的控制算法，能解决半桥LLC变换器启动炸机问题，并通过获取谐振腔电流和谐振电压的相位差信息，及时判断是否工作在容性工作区，并能预防进入容性区，极大提高变换器的可靠性。其电路简单，算法有创新性，具有重要的实际工程价值。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：测量并获取半桥LLC变换器谐振腔的谐振电流、谐振电容电压、谐振电流过零点和谐振电压过零点以及对应波形信号；
步骤二：测量谐振电流与半桥中点电压的相位差，根据相位差判断半桥LLC变换器的工作点是否处于容性负载区；
步骤三：当半桥LLC变换器的工作点处于非容性负载区时，采用延时启动时序控制半桥LLC变换器进行软启动，直至正常运行。
2.根据权利要求1所述的预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，其特征在于，步骤一中，谐振电压过零点通过三极管比较电路获得。
3.根据权利要求2所述的预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，其特征在于，步骤一中，谐振电流过零点的波形由谐振电压过零点的波形超前移相90°获得。
4.根据权利要求1所述的预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，其特征在于，步骤二中，谐振电流与半桥中点电压的相位差通过捕获PWM输出下降沿和与其对应的谐振电流过零点之间的时间差来获取。
5.根据权利要求4所述的预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，其特征在于，谐振电流过零点由过零点信号上升沿进行监测，测量驱动下降沿和过零点信号上升沿的时间即为谐振电压与谐振电流的相位差。
6.根据权利要求4所述的预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，其特征在于，捕获相位差时，取前一个PWM边沿到谐振电流过零点的时间用作捕获的时间。
7.根据权利要求4所述的预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，其特征在于，当相位差小于预先设定的门槛值且趋向为零时，通过减小输出电压的目标值增大开关频率；若连续增大开关频率后相位差仍小于设定的门槛值，则变换器关闭输出；
当相位差的门槛值在两个连续采样周期内为零或者负数时，此时变换器进入容性模式，变换器立即关断。
8.根据权利要求1所述的预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，其特征在于，半桥LLC变换器的启动步骤如下：
预充阶段：在半桥LLC变换器启动之前，施加充电脉冲给低边LS MOSFET，此时高边HSMOSFET关断，之后高边、低边均关断100us；
延时启动阶段：在谐振电流过零点之后，施加固定延迟，然后分别输出高边PWM和低边PWM；
启动阶段：通过定时器复制机制驱动PWM，此时检测输出电源并执行软启动，当输出电压通过反馈环路进行调制时，变换器进入正常工作阶段。
9.根据权利要求8所述的预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，其特征在于，以谐振电流两个连续过零点的时间作为定时器复制机制的复制周期。
10.根据权利要求8所述的预防半桥LLC变换器硬换向控制方法，其特征在于，谐振电流两个连续过零点的时间通过DSP内部捕获单元逐波捕获。
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