实现LLC谐振变换器多步调频的数字控制方法技术

本发明专利技术公开了实现LLC谐振变换器多步调频的数字控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域。该方法通过包括电压采样电路、以微控制器为核心的控制电路、隔离驱动电路的系统实现，在每个周期内采样输出电压值，当输入电压或输出负载变化引起输出电压波动时，通过电压采样电路采集分压电阻上的电压值，由以微控制器为核心的控制电路比较输出电压采样值与设定值后计算得到最大增益或最小增益值点对应的频率并切换至该频率点，在消除输入电压或输出负载变化引起的输出电压波动后，使LLC变换器工作在要求的开关频率处并依据输出电压偏离设定值的差值对输出电压进行PI调节，最终使输出电压稳定，提高了动态响应速度。

A Digital Control Method for Multi-step Frequency Modulation of LLC Resonant Converter

【技术实现步骤摘要】
实现LLC谐振变换器多步调频的数字控制方法
本专利技术公开了实现LLC谐振变换器多步调频的数字控制方法，涉及LLC谐振变换器的控制技术，属于发电、变电、配电的

技术介绍
微处理器运算速度的提高要求供电电源有高输出电流变化率、极小的电压波动范围等特点。动态响应成为LLC谐振变换器的一个重要参数，该参数要求LLC谐振半桥变换器在输入端电压或输出端负载跳变时能够在较短的时间内就能达到稳态。提高动态响应速度的方法有很多种，目前主要有两种，其中一种是将MOS管和内部补偿电路集成在一起，选用较优良的滤波装置和理想的反馈回路作为变换器的输出，这种方法要求反馈回路具有宽频带和大增益且保证环路稳定，虽然能在一定程度上稳定输出电压，但存在如下两个较大缺陷：(1)温度、负载参数变化造成的相移达到360°，引发系统振荡，(2)补偿放大器因工作在负反馈状态存在180°的相移，留给功率补偿网络的相移为180°，能够提升的动态响应性能有限。另外一种提高动态响应速度的方法是数字实现方法，数字控制具有对外部干扰不敏感、功能扩展方便、容易实现系统升级和各种控制算法等优点，是目前研究的热点，也是未来继续深入研究的方向。数字控制未增加外围电路，在PFC算法的基础上增加补偿环节优化算法性能，一种优化算法是引入电机控制的矢量旋转方法以产生谐波补偿所需要的正弦波。数字控制方法较为准确，相较于电路补偿方法，提高了动态响应速度，然而，其算法复杂度有较大提高，在某些要求苛刻的应用场合依旧无法满足快速响应的要求。综上，近些年，优化提高动态响应速度的数字控制方法成为研究的重要对象，但目前所用方法无法同时满足电路结构简单、集成度高、高频下准确有效的快速响应等要求，开关变换器中动态响应速度较慢的问题仍待解决。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供了实现LLC谐振变换器多步调频的数字控制方法，以较为简单的电路结构提高了LLC变换器的动态响应速度，解决了现有LLC谐振变换器数字控制方案不能同时满足电路结构简单、集成度高、高频下准确有效地快速响应等多种应用需求的技术问题。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：实现LLC谐振变换器多步调频的数字控制方法，以电压采样电路、以微控制器为核心的控制电路、隔离驱动电路组成的数字控制系统对LLC谐振变换器进行逐步调频以稳定其输出。当LLC变换器处于稳定工作状态时，输入电压或输出负载变化会引起输出电压VO的波动，通过电压采样电路采集分压电阻上的电压值，由以微控制器为核心的控制电路对采样值进行模数转换和放大处理得到的VO’，比较VO’与设定值，在VO’与设定值的偏差超出允许值时计算得到最大增益或最小增益值点对应的频率并切换至该频率点，而在VO’与设定值的偏差小于允许值时控制变换器工作于要求开关频率处，经过多个开关周期的逐步调节实现LLC变换器稳定工作于要求开关频率处，再对每个开关周期的VO’与设定值的差值进行PI调节，最终使输出电压稳定，LLC变换器再次处于稳定工作状态，具体包括以下步骤：(1)稳态工作的LLC变换器，当输入电压VIN减小时，会引起输出电压掉落，电压采样电路采集分压电阻上的电压VO’，将电压值通过采样走线经数模转换为数字信号后存入逻辑控制单元；(2)逻辑控制单元对VO’和设定值VO进行比较，其差值大于设定允许值Δ行时，根据基波分析法得到的增益函数计算得出最大增益处的频率值f0，并切换至该频率处工作，直到本周期结束；(3)在下一周期采样电路将采样输出电压以同样方式传输到逻辑控制单元，逻辑控制单元对VO’和设定值VO进行比较，其差值小于设定允许值ΔV时，改变工作频率至要求的工作频率f1；(4)通过PI调节，根据对采样电压值和给定值的比较，消除稳态偏差。对LLC变换器输出端电压进行采样，利用微控制器内部处理得到最大或最小开关频率，此时，分别对应最小和最大增益点，实现输入到输出的最大能量传输，提高动态响应速度，具体流程为：(1)当LLC变换器处于工作状态，输入电压突然降低或升高时，采样电压值经过分析处理后传输到以微控制器为核心的控制电路，此时，微控制器计算给出输入电压下对应的最小或最大开关频率f；(2)采用基波分析法得到的增益函数如下：谐振频率：归一化频率：电感系数：特性阻抗：品质因数：输出负载：Ro，原边侧等效电阻：Rac，副边侧等效至原边的等效电阻，变压器匝比：n；(3)对于每一个最小或最大开关频率f，有一个最大或最小增益值Mdc与其对应，使LLC变换器工作在该增益点，输入级可以向输出级传输最大或最小的能量值，动态响应速度的提高得以实现。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)在每个开关周期内采样输出电压并基于输出电压偏离设定值的情形实时调整LLC谐振变换器输入电压或负载变化后的能量传输最佳点，再由能量传输最佳点调节开关频率，通过多步调节的方式使得输入端能量能够快速或较慢地补偿到输出端以适应输入电压或输出负载的跳变，提高了能量传输效率及动态响应速度，具有自适应能力强、控制精准、无需复杂算法的优势。(2)采用以微控制器为核心的控制电路实现整个控制方案，具有以较低的成本低和较小的体积带价实现了LLC变换器的有效动态响应。附图说明图1为现有技术中一种提高半桥LLC谐振变换器动态响应的数字控制原理图。图2为本专利技术实现LLC谐振半桥变换器多步调频的数字控制方法的流程图。图3为多步调频LLC谐振半桥变换器的原理图。图4为本专利技术的电路原理图。图5为本专利技术工作方法图。图6为本专利技术微控制器控制栅驱动信号图。图7为本专利技术与通用方法响应速度图。图中标号说明：1为电压采样电路，2为以微控制器为核心的控制电路，3为隔离驱动电路，Q1、Q2、Q3、Q4为开关管，D1、C1为开关管Q1的体二极管和寄生电容，D2、C2为开关管Q2的体二极管和寄生电容，D3、C3为开关管Q3的体二极管和寄生电容，D4、C4为开关管Q4的体二极管和寄生电容，CIN为输入稳压电容，Lr为谐振电感、Cr为谐振电容、Lm为励磁电感，Co为输出电容，Ro为输出电阻。具体实施方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，现有技术提出的一种提高半桥LLC谐振变换器动态响应速度的数字控制方式，在PFC算法基础上加上补偿环节构建基于平均电流控制模式的PFC控制器，数字控制部分包括电压环和电流环两个环节，虽能提高动态响应速度，但增加了算法的复杂度，无法满足要求苛刻应用场合的快速响应需求。当LLC变换器处于稳定工作状态时，输入电压或输出负载的变化会引起输出电压VO的波动，本申请提出一种将输出电压偏离设定值的差值控制在允许范围内的逐步调频方法，该方法逐步调频的流程如图2所示，对于要求开关频率为f的LLC变换器，在每个开关周期内采集变换器输出电压，对输出电压采样值进行模数转换和放大处理后得到VO’，比较VO’与设定值在VO’与设定值的偏差超出允许值时计算得到最大增益或最小增益值点对应的频率并切换变换器的谐振频率至该频率点，而在VO’与设定值的偏差小于允许值时控制变换器工作于要求开关频率处，经过多个开关周期的逐步调节实现LLC变换器稳定工作于要求开关频率处，再对每个开关周期的VO’与设定值的差值进行PI调节，最终使输出电压稳定，LLC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.实现LLC谐振变换器多步调频的数字控制方法，其特征在于，在LLC谐振变换器需要调频的情形出现后的若干开关周期内，比较当前开关周期的输出电压采样值和设定值，在当前开关周期的输出电压采样值与设定值的差值超出设定的允许值时，在下一开关周期切换LLC谐振变换器的工作频率至能量传输最佳点对应开关频率，所述设定值根据LLC谐振变换器工作于特定开关频率处稳态输出的电压确定，在LLC谐振变换器工作于能量传输最佳点对应的开关频率后的若干开关周期内，比较当前开关周期的输出电压采样值和设定值，在当前开关周期的输出电压采样值与设定值的差值小于设定的允许值时，在下一开关周期切换LLC谐振变换器的工作频率至特定开关频率，在LLC谐振变换器工作于特定开关频率之后的若干开关周期内，根据每个开关周期的输出电压采样值与设定值的差值对输出电压进行PI调节。

【技术特征摘要】
1.实现LLC谐振变换器多步调频的数字控制方法，其特征在于，在LLC谐振变换器需要调频的情形出现后的若干开关周期内，比较当前开关周期的输出电压采样值和设定值，在当前开关周期的输出电压采样值与设定值的差值超出设定的允许值时，在下一开关周期切换LLC谐振变换器的工作频率至能量传输最佳点对应开关频率，所述设定值根据LLC谐振变换器工作于特定开关频率处稳态输出的电压确定，在LLC谐振变换器工作于能量传输最佳点对应的开关频率后的若干开关周期内，比较当前开关周期的输出电压采样值和设定值，在当前开关周期的输出电压采样值与设定值的差值小于设定的允许值时，在下一开关周期切换LLC谐振变换器的工作频率至特定开关频率，在LLC谐振变换器工作于特定开关频率之后的若干开关周期内，根据每个开关周期的输出电压采样值与设定值的差值对输出电压进行PI调节。2.根据权利要求1所述的实现LLC谐振变换器多步调频的数字控制方法，其特征在于，LLC谐振变换器需要调频的情形为输入电压上升或输出电流下降的情形时，能量传输最佳点为最小增益点，最小增益点对应的开关频率为最大开关频率。3.根据权利要求1所述的实现LLC谐振变换器多步调频的数字控制方法，其特征在于，LLC谐振变换器需要调频的情形为输入电压下降或输出电流上升的情形时，能量传输最佳点为最大增益点，最大增益点对应的开关频率为最小开关频率。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱钦松，秦阳，胡瑞成，孙伟锋，陆生礼，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32