一種寬輸出範圍LLC變流器的控制方法與流程
2024-03-05 17:34:15 2
本發明屬於電力電子技術領域，尤其涉及一種寬輸出範圍LLC變流器的控制方法。
背景技術：
目前，LLC(Logical Link Control)變流器在中大功率AC/DC和DC/DC電路中應用較多，其軟開關性能對效率提升作用突出，降低了開關噪聲和EMI，廣泛應用於中大功率產品中。車載電源產品常採用LLC電路，常規電池的充電電壓範圍為230Vdc～430Vdc，調頻控制是LLC變流器最常用的控制方法，為了滿足寬輸出電壓範圍的要求，LLC變流器的工作頻率範圍很寬，而LLC變流器中諧振電感和變壓器必須按照最低工作頻率進行設計，其體積和重量會非常大，非常不利於LLC變流器的小型化設計，阻礙了車載電源往高功率密度方向上的發展。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明提出了一種寬輸出範圍LLC變流器的控制方法，其特徵在於，所述方法採用LLC變流器全橋和半橋靈活切換的控制方式，根據LLC變流器輸出電壓的需求，判斷LLC的工作方式；當LLC變流器的輸出電壓小於半橋LLC變流器的峰值輸出電壓時，LLC變流器以半橋模式運行，當LLC變流器的輸出電壓大於半橋LLC變流器的峰值輸出電壓時，LLC變流器以全橋方式工作；半橋與全橋的切換點為半橋LLC變流器增益曲線的峰值處；
LLC變流器以半橋模式工作時，LLC變流器有3隻功率器件投入工作，其中有2隻功率器件為對角關係，另一隻功率器件為半橋LLC變流器電流提供續流通道，LLC變流器的工作頻率由半橋LLC變流器允許的最高工作頻率逐漸降低到半橋LLC變流器允許的最低工作頻率，LLC變流器的輸出電壓由最低電壓逐漸上升到半橋LLC變流器的峰值輸出電壓；
LLC變流器以全橋模式工作時，LLC變流器的4隻功率器件全部投入工作，LLC變流器的工作頻率由全橋LLC變流器允許的最大工作頻率逐漸減小到全橋LLC變流器允許的最小工作頻率，輸出電壓由半橋LLC變流器的峰值輸出電壓逐漸升高到全橋LLC變流器的峰值輸出電壓；
半橋LLC變流器切換到全橋LLC變流器的過程中，在投入第4隻功率器件的同時，將LLC變流器中4隻功率器件的工作頻率全部提升到全橋LLC變流器的最高允許工作頻率，以實現由半橋LLC變流器模式到全橋LLC變流器模式的平滑切換。
以半橋工作模式的LLC變流器最大頻率與全橋LLC變流器的最大工作頻率或相同或低於或高於全橋模式下的最大工作頻率，取決於LLC變流器的最低輸出電壓需求；
以全橋工作模式的LLC變流器最小工作頻率與半橋LLC的最小工作頻率相同或低於或高於半橋模式下的最小工作頻率，取決於LLC的最高輸出電壓需求；
以半橋模式工作的LLC變流器最小工作頻率和以全橋模式工作的LLC變流器最大工作頻率相等，且均為半橋模式下LLC的峰值增益工作頻率。
有益效果
本發明實現了LLC變流器寬電壓增益、窄頻範圍工作的能力，既拓寬了LLC變流器的輸出電壓範圍，又減小了LLC變流器的開關頻率範圍，即減小了諧振電感和隔離變壓器的工作頻率範圍，利於將諧振電感和隔離變壓器頻率的進一步提高，降低諧振電感和隔離變壓器的體積和重量，提高LLC變流器的功率密度。
附圖說明
圖1 LLC以全橋方式運行的原理圖；
圖2 LLC以半橋方式運行的原理圖；
圖3混合控制LLC的電壓增益曲線；
圖4 LLC由半橋向全橋切換時控制脈衝的原理圖；
圖5 LLC電壓增益曲線的設計實例；
圖6 LLC由半橋向全橋切換過程的仿真波形。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明作詳細說明。本發明提出了一種寬輸出範圍LLC變流器的控制方法。LLC變流器的拓撲如圖1所示，vin為LLC變流器的輸入直流電壓源，Q`1-Q4為MOSFET，D1-D4為MOSFET的反並聯二極體，Lr為諧振電感，Cr為諧振電容，T為隔離變壓器，D1`-D4`為LLC變流器副邊整流二極體，Co為LLC變流s器輸出濾波電容，R為LLC變流器的等效負載電阻，其值隨電池的充電狀態變化。
如圖3所示為本發明中LLC混合控制下的電壓增益曲線示意圖，其中，Mmin為本發明控制方式下LLC變流器以半橋方式工作的最小電壓增益，Mmid為LLC變流器的半橋模式與全橋模式的切換點增益，Mmax為本方法控制方式下LLC變流器的以全橋方式工作的最大電壓增益。fHB,max為本方法控制方式下LLC變流器以半橋方式工作的最大開關頻率，fmin為本方法控制方式下LLC變流器的最小開關頻率。
當LLC的電壓增益需求小於Mmid時，即輸出電壓小於MmidVin時，LLC變流器以半橋運行，如圖4所示，半橋模式下Q3關斷，Q1、Q4以50％佔空比同相位被觸發，Q2的觸發脈衝與Q1、Q4的觸發脈衝互補。
當LLC變流器的輸出增益大於Mmid，即輸出電壓大於MmidVin時，LLC變流器以全橋方式工作，如圖4所示，該狀態下，Q1～Q4的佔空比均為50％，Q1與Q4同相位，Q2與Q3同相位，Q1與Q2互補。此時的輸出電壓增益為半橋LLC的2倍。
在Mmid處，LLC變流器從半橋方式向全橋方式切換，該過程的控制邏輯為：開通Q3的觸發脈衝，其佔空比為50％，相位與Q2相同，同時將Q2、Q3的頻率切換到fFB,max。
如圖6所示為LLC由半橋運行切換為全橋運行的仿真波形，S3為Q3的觸發脈衝，Vab(t)為原邊方波電壓波形，Ir為LLC的諧振電流波形，Vout(t)為LLC的輸出電壓波形。Vab(t)的頻率為LLC的最低工作頻率。半橋方式運行時，S3閉合，Vab(t)和Ir的頻率最低；以全橋方式運行時，S3開通，Vab(t)和Ir的頻率最高，由半橋向全橋轉換時，輸出電壓Vout(t)過渡很平穩。
為了更好地說明本發明的執行過程，結合上文的案例和附圖對具體操作過程進行闡述。LLC最先半橋模式運行，起始工作頻率為fHB,max，對應圖5所示的1.05fr，諧振頻率fr＝80kHz，此時的等效電路如圖2所示，起始工作電壓對應於圖5中的230V。驅動脈衝如圖4所示，Q1、Q2和Q4均為佔空比為50％、頻率相同的的控制脈衝，Q3的脈衝在半橋模式下始終被禁止，Q1和Q4同相位，Q2與Q4在相位上互補，Q3即始終被置為低電平。
當LLC的輸出電壓增益大於等於如圖3所示的Mmid時，對應於圖5中的310V時，LLC以全橋方式運行，等效電路如圖1所示，在Mmid增益點的觸發脈衝發生改變，如圖4所示，該電壓增益點Q3開始工作，同時Q1、Q2和Q4的頻率由fmin提升到fHB,max，對應圖5中頻率由0.49fr提升到1.05fr，Q3也以fHB,max頻率開通，進入全橋工作模式。
當LLC的輸出電壓增益大於Mmid且小於Mmax時，LLC始終以全橋模式工作，在增益由Mmid上升到Mmax的過程中，Q1～Q4的工作頻率由fHB,max逐漸上升到fmin。相同容量和磁芯材料情況下，變壓器和諧振電感的體積與頻率成反比，變壓器磁芯大小與頻率的關係為：
Aw為磁芯窗口面積，Ae為磁芯有效面積，S為變壓器容量，Bm為最大磁通密度，f為變壓器工作頻率，J為導體電流密度。
由公式(1)可知，相同磁芯材料和功率容量下，變壓器工作頻率越高，其體積和重量越小。
對一個LLC變流器，輸入電壓Vin＝400Vdc，諧振點輸出電壓Vo＝320Vdc，勵磁電感與諧振電感之比k＝5，品質因數Q＝0.4，諧振頻率fr＝80kHz，當設計輸出電壓範圍為230Vdc～430Vdc時。
以傳統變頻方式為例對上述要求進行控制時，LLC的工作頻率範圍為0.49fr～1.57fr，即39.2kHz～125.6kHz，其頻率變化範圍為86.4kHz。而以本發明的方法進行控制時，其工作頻率範圍為0.49fr～1.05fr，即39.2kHz～84kHz，頻率變化範圍為44.8kHz。
根據本發明方法，在相同設計要求和工作頻率變化範圍下，即頻率變化範圍為86.4kHz時，本方法將LLC的諧振頻率提高到154.3kHz，該諧振頻率下滿足輸出電壓要求的工作頻率範圍為75.6kHz～162kHz，其最低工作頻率相比於傳統控制方法下的最低工作頻率提高了接近1倍，根據式(1)的說明，理論上，諧振電感、隔離變壓器的體積和重量減小約一倍，而工作頻率範圍沒有變化，非常有利於輸出電壓範圍寬、功率密度要求高的應用場合。