CN1885699A - 谐振电路输出特性控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振电路输出特性控制方法，是通过改变其输入开关管的导通频率来调节输出电压，还根据开关管的导通频率或输出电压的变化调整所述开关管的占空比，所述开关管为两组，控制方式切换的时机可通过设定切入频率或切入电压来控制。本发明的优点在于：在谐振电路的输出控制方式中，引入PWM控制方式，对两组开关管进行互补对称驱动，或对一组开关管进行变占空比驱动而另一组保持不变，能够有效弥补PFM控制方式在低压段控制能力弱的缺点，解决PFM控制方式在部分开关频率区域的不单调性问题，极大地增加电路的输出电压调节能力，有效扩展电压输出范围。

Description

谐振电路输出特性控制方法
【技术领域】
本发明涉及谐振电路控制技术，具体是涉及一种谐振电路输出特性控制方法。
【背景技术】
目前，谐振电路一般采用变频控制(Pulse frequency modulation，简称PFM)的方式，通过调节电路工作的开关频率，得到需要的输出电压。图1是一个典型的半桥LLC串联谐振电路，该电路可以实现主开关管S1、S2的零电压开通，消除输出整流二极管D3、D4的反向恢复，提高电路的效率。在对该电路采用PFM控制时，两个开关管S1、S2互补对称驱动，各导通50％的开关周期。在进行PFM控制时，不同频率下S1、S2的导通状态如图2(a)、(b)所示，t为时间轴，V为驱动电压，t1、t2分别表示S1、S2在一个周期中的导通时间，图2(b)中的开关频率是图2(a)中的两倍，不管开关频率怎样变化，t1＝t2。调节S1、S2的开关频率来获得需要的输出电压，输出电压Vo和开关频率f的关系如图3所示。
参考图3，一般开关频率会选择在图3中M＝Vo/Vin取得最大值之后的频率段，所以频率与电压的基本关系是：频率升高，输出电压下降。但是从图3中可以看出，当频率升高到一定程度时，特性曲线变得非常平坦，甚至还可能出现不降反升的情况，使得频率变化对电压的调节能力变得很弱。对于需要得到较宽输出电压范围的模块来说，很大程度上影响了模块的性能。由于业界普遍缺乏对PFM控制的谐振电路的输出电压调节范围特性的清楚认识，对于其在某些开关频率区域的不单调性知之甚少，因此上述问题被忽视，而其所带来的控制缺陷始终无法改善。
上面以半桥LLC串联谐振电路为例说明了PFM控制方式存在的缺陷，同样的，全桥LLC串联谐振电路的现象与半桥LLC串联谐振现象是完全相同的。从理论上讲，所有的PFM控制的谐振电路都存在类似的问题。
【发明内容】
本发明的目的在于弥补PFM控制方式存在的上述缺陷，提供一种可解决其开关频率区域的不单调性问题的谐振电路输出特性控制方法。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种谐振电路输出特性控制方法，是通过改变其输入开关管的导通频率来调节输出电压，还根据开关管的导通频率或输出电压的变化调整所述开关管的占空比，所述开关管为两组。PWM(Pulse width modulation，占空比控制)切入PFM的时机可通过设定切入频率或切入电压来控制：当开关管的导通频率低于设定值或谐振电路的输出电压高于设定值时，通过改变开关管的导通频率来调节输出电压；当开关管的导通频率高于设定值或谐振电路输出电压低于设定值时，还同时调整所述开关管的占空比，来进行输出电压的调节。
开关管的调整方案具体可选择：两组开关管保持互补驱动，其占空比之和为1；或者，对一组开关管的占空比进行调节，另一组开关管的占空比保持特定占空比。
所述谐振电路优选为LLC谐振电路，在该种电路中采用上述方法的效果尤为显著。
由于频率升高到一定程度后PFM的控制能力已经很弱，因此还可以进一步设定PFM退出控制而只采用PWM控制的阶段：当开关管的导通频率继续升高到另一设定值时，固定频率，只调整开关管的占空比。
采用上述技术方案，本发明有益的技术效果在于：根据将在具体实施方式中详细叙述的分析可知，在谐振电路的输出控制方式中，引入PWM控制方式，对两组开关管进行互补对称驱动，或对一组开关管进行变占空比驱动而另一组保持不变，能够有效弥补PFM控制方式在低压段控制能力弱的缺点，解决PFM控制方式在部分开关频率区域的不单调性问题，极大地增加电路的输出电压调节能力，有效扩展电压输出范围。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：
【附图说明】
图1是一种现有典型的半桥LLC串联谐振电路示意图。
图2(a)、(b)是PFM控制下图1中开关管的导通状态图。
图3是图1中电路PFM控制方式下的输出特性曲线图。
图4是PFM和PWM的单独与综合控制方式输出特性比较示意图。
图5是一种综合控制方式下开关管的导通状态图。
图6是另一种综合控制方式下开关管的导通状态图。
图7是一种全桥串联谐振电路示意图。
【具体实施方式】
一种谐振电路输出特性控制方法，是综合使用PFM和PWM的控制方式控制电路的两组开关管对输出电压进行调整，来改善对谐振电路的电压输出特性的控制。
仍以图1中的半桥LLC谐振电路为例，图4中的曲线A是采用单独PFM控制方式，占空比为50％的输出电压Vo与频率f的特性曲线示意图；图4中的曲线B1、B2、B3分别是开关频率为120kHz、210kHz、290kHz时采用单独PWM控制方式，输出电压Vo与占空比D的特性曲线示意图；图4中的曲线C1、C2、C3分别是在开关频率为120kHz、210kHz、290kHz时切入PWM后综合制方式下输出电压Vo与占空比D和频率f的特性曲线示意图；
由图4中的曲线B1、B2、B3可以看出，不同频率下PWM特性曲线的形状几乎是一致的，都是随着占空比的减小，输出电压先上升后下降，并且可以下降到很低的水平，因此PWM的控制方式能够极大的增加电路输出电压的调节能力，弥补PFM特性曲线A在高频段的平滑弱控制段。由于主功率变换器参数一旦确定，单独的PFM控制曲线A就确定，从图4中的曲线C1、C2、C3可以看出，在不同的频率(输出电压)点切入PWM控制，综合的控制曲线的形状也是大致相同的，因此在实际工程中具体切入频率(输出电压)点的位置可根据实际需要来选择。
PWM切入PFM的时机可通过谐振电路的输出电压进行反馈控制，由于切入电压与切入频率的对应关系，因此控制方式也可等效的由导通频率的变化来表述：在高压重载的区域，采用单独的PFM控制方式；当开关频率升高到一定值，进入低压轻载区域后，PFM控制能力减弱，开始同时使用PWM控制方式；若频率进一步升高，则可固定频率，只进行PWM控制，这样就能够得到一个很好的控制特性了。
针对LLC谐振电路，具体可采用如下两种控制方法：
方案一、一种输出特性控制方法用于图1中的LLC谐振电路，PWM控制控制方式只应用于两组开关管之一，另一组占空比保持不变：该电路采用PFM控制方式，其开关频率的可控范围为120～340kHz，选取210kHz切入PWM控制(对应切入电压为50V)：
在120～210kHz之间，仅有PFM控制，使得输出电压在50V～58V之间；
在210～340kHz之间，PFM+PWM综合控制，使得输出电压在40V～50V之间；
在340kHz处，开关频率保持不变，通过调节占空比D(此时占空比D的调节范围是比较小的，一般为0～0.2；对应于切入频率的占空比为0.5，随着开关频率的增大，占空比是减小的)调节输出电压，使得模块输出更低的电压；
PWM参与控制时S1、S2的导通状态如图5所示，t为时间轴，V为驱动电压，t1、t2分别表示S1、S2在一个周期中的导通时间，S2的占空比保持50％不变，减小S1的占空比，获得轻载时需要的低输出电压。
方案二、另一种输出特性控制方法用于图1中的LLC谐振电路：该电路采用PFM控制方式，在电路开关频率升高、反馈环输出降低时加入PWM控制，两组开关管采用互补对称驱动。控制过程与方案一中基本相同，只是PWM控制时S1、S2的导通状态如图6所示，t为时间轴，V为驱动电压，t1、t2分别表示S1、S2在一个周期中的导通时间，S1、S2保持互补驱动，其占空比之和为1，减小S1(或S2)的占空比，获得轻载时需要的低输出电压。
需要说明的是，在上述的具体方法解释及方案描述中将单个开关管的最高占空比描述为50％，互补驱动时总占空比描述为1，这是一种近似的说法，实际上该值必然略小于50％(或1)，这是为了避免直通在两组开关管的驱动之间设定适当的死区引起的，死区一般选取100纳秒左右，由于该值微小且产生原因为众所公知，对本发明方案不产生实质性影响，因此在进行描述的时候采用通常使用的近似描述，仍将最高占空比称为50％，互补驱动时总占空比称为1。
本发明控制方式适用于使用谐振原理工作的电路，包括串联谐振、并联谐振、串并联谐振等，电路拓扑可以是全桥、半桥等。例如图7所示的全桥串联谐振电路，其四个开关管可分为S1、S3和S2、S4两组，采用上述方法进行控制。

Claims (5)

1、一种谐振电路输出特性控制方法，是通过改变其输入开关管的导通频率来调节输出电压，其特征在于：还根据开关管的导通频率或输出电压的变化调整所述开关管的占空比，所述开关管为两组，当开关管的导通频率低于设定值或谐振电路的输出电压高于设定值时，通过改变开关管的导通频率来调节输出电压；当开关管的导通频率高于设定值或谐振电路输出电压低于设定值时，还同时调整所述开关管的占空比，来进行输出电压的调节。
2、根据权利要求1所述的谐振电路输出特性控制方法，其特征在于：所述两组开关管，保持互补驱动，其占空比之和为1。
3、根据权利要求1所述的谐振电路输出特性控制方法，其特征在于：对一组开关管的占空比进行调节时，另一组开关管的占空比保持特定占空比。
4、根据权利要求1～3任意一项所述的谐振电路输出特性控制方法，其特征在于：当开关管的导通频率继续升高到另一设定值时，固定频率，只调整开关管的占空比。
5、根据权利要求4所述的谐振电路输出特性控制方法，其特征在于：所述谐振电路为LLC谐振电路。
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