一种宽输出范围LLC变流器的控制方法技术

本发明专利技术属于电力电子技术领域，尤其涉及一种宽输出范围LLC变流器的控制方法。所述方法采用LLC变流器全桥和半桥灵活切换的控制方式，根据LLC变流器输出电压的需求，判断LLC的工作方式；当LLC变流器的输出电压小于半桥LLC变流器的峰值输出电压时，LLC变流器以半桥模式运行，当LLC变流器的输出电压大于半桥LLC变流器的峰值输出电压时，LLC变流器以全桥方式工作；半桥与全桥的切换点为半桥LLC变流器增益曲线的峰值处。本发明专利技术实现了LLC变流器宽电压增益、窄频范围工作的能力，利于将谐振电感和隔离变压器频率的进一步提高，降低谐振电感和隔离变压器的体积和重量，提高LLC变流器的功率密度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子
，尤其涉及一种宽输出范围LLC变流器的控制方法。
技术介绍
目前，LLC(LogicalLinkControl)变流器在中大功率AC/DC和DC/DC电路中应用较多，其软开关性能对效率提升作用突出，降低了开关噪声和EMI，广泛应用于中大功率产品中。车载电源产品常采用LLC电路，常规电池的充电电压范围为230Vdc～430Vdc，调频控制是LLC变流器最常用的控制方法，为了满足宽输出电压范围的要求，LLC变流器的工作频率范围很宽，而LLC变流器中谐振电感和变压器必须按照最低工作频率进行设计，其体积和重量会非常大，非常不利于LLC变流器的小型化设计，阻碍了车载电源往高功率密度方向上的发展。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种宽输出范围LLC变流器的控制方法，其特征在于，所述方法采用LLC变流器全桥和半桥灵活切换的控制方式，根据LLC变流器输出电压的需求，判断LLC的工作方式；当LLC变流器的输出电压小于半桥LLC变流器的峰值输出电压时，LLC变流器以半桥模式运行，当LLC变流器的输出电压大于半桥LLC变流器的峰值输出电压时，LLC变流器以全桥方式工作；半桥与全桥的切换点为半桥LLC变流器增益曲线的峰值处；LLC变流器以半桥模式工作时，LLC变流器有3只功率器件投入工作，其中有2只功率器件为对角关系，另一只功率器件为半桥LLC变流器电流提供续流通道，LLC变流器的工作频率由半桥LLC变流器允许的最高工作频率逐渐降低到半桥LLC变流器允许的最低工作频率，LLC变流器的输出电压由最低电压逐渐上升到半桥LLC变流器的峰值输出电压；LLC变流器以全桥模式工作时，LLC变流器的4只功率器件全部投入工作，LLC变流器的工作频率由全桥LLC变流器允许的最大工作频率逐渐减小到全桥LLC变流器允许的最小工作频率，输出电压由半桥LLC变流器的峰值输出电压逐渐升高到全桥LLC变流器的峰值输出电压；半桥LLC变流器切换到全桥LLC变流器的过程中，在投入第4只功率器件的同时，将LLC变流器中4只功率器件的工作频率全部提升到全桥LLC变流器的最高允许工作频率，以实现由半桥LLC变流器模式到全桥LLC变流器模式的平滑切换。以半桥工作模式的LLC变流器最大频率与全桥LLC变流器的最大工作频率或相同或低于或高于全桥模式下的最大工作频率，取决于LLC变流器的最低输出电压需求；以全桥工作模式的LLC变流器最小工作频率与半桥LLC的最小工作频率相同或低于或高于半桥模式下的最小工作频率，取决于LLC的最高输出电压需求；以半桥模式工作的LLC变流器最小工作频率和以全桥模式工作的LLC变流器最大工作频率相等，且均为半桥模式下LLC的峰值增益工作频率。有益效果本专利技术实现了LLC变流器宽电压增益、窄频范围工作的能力，既拓宽了LLC变流器的输出电压范围，又减小了LLC变流器的开关频率范围，即减小了谐振电感和隔离变压器的工作频率范围，利于将谐振电感和隔离变压器频率的进一步提高，降低谐振电感和隔离变压器的体积和重量，提高LLC变流器的功率密度。附图说明图1LLC以全桥方式运行的原理图；图2LLC以半桥方式运行的原理图；图3混合控制LLC的电压增益曲线；图4LLC由半桥向全桥切换时控制脉冲的原理图；图5LLC电压增益曲线的设计实例；图6LLC由半桥向全桥切换过程的仿真波形。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术作详细说明。本专利技术提出了一种宽输出范围LLC变流器的控制方法。LLC变流器的拓扑如图1所示，vin为LLC变流器的输入直流电压源，Q`1-Q4为MOSFET，D1-D4为MOSFET的反并联二极管，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，T为隔离变压器，D1`-D4`为LLC变流器副边整流二极管，Co为LLC变流s器输出滤波电容，R为LLC变流器的等效负载电阻，其值随电池的充电状态变化。如图3所示为本专利技术中LLC混合控制下的电压增益曲线示意图，其中，Mmin为本专利技术控制方式下LLC变流器以半桥方式工作的最小电压增益，Mmid为LLC变流器的半桥模式与全桥模式的切换点增益，Mmax为本方法控制方式下LLC变流器的以全桥方式工作的最大电压增益。fHB,max为本方法控制方式下LLC变流器以半桥方式工作的最大开关频率，fmin为本方法控制方式下LLC变流器的最小开关频率。当LLC的电压增益需求小于Mmid时，即输出电压小于MmidVin时，LLC变流器以半桥运行，如图4所示，半桥模式下Q3关断，Q1、Q4以50％占空比同相位被触发，Q2的触发脉冲与Q1、Q4的触发脉冲互补。当LLC变流器的输出增益大于Mmid，即输出电压大于MmidVin时，LLC变流器以全桥方式工作，如图4所示，该状态下，Q1～Q4的占空比均为50％，Q1与Q4同相位，Q2与Q3同相位，Q1与Q2互补。此时的输出电压增益为半桥LLC的2倍。在Mmid处，LLC变流器从半桥方式向全桥方式切换，该过程的控制逻辑为：开通Q3的触发脉冲，其占空比为50％，相位与Q2相同，同时将Q2、Q3的频率切换到fFB,max。如图6所示为LLC由半桥运行切换为全桥运行的仿真波形，S3为Q3的触发脉冲，Vab(t)为原边方波电压波形，Ir为LLC的谐振电流波形，Vout(t)为LLC的输出电压波形。Vab(t)的频率为LLC的最低工作频率。半桥方式运行时，S3闭合，Vab(t)和Ir的频率最低；以全桥方式运行时，S3开通，Vab(t)和Ir的频率最高，由半桥向全桥转换时，输出电压Vout(t)过渡很平稳。为了更好地说明本专利技术的执行过程，结合上文的案例和附图对具体操作过程进行阐述。LLC最先半桥模式运行，起始工作频率为fHB,max，对应图5所示的1.05fr，谐振频率fr＝80kHz，此时的等效电路如图2所示，起始工作电压对应于图5中的230V。驱动脉冲如图4所示，Q1、Q2和Q4均为占空比为50％、频率相同的的控制脉冲，Q3的脉冲在半桥模式下始终被禁止，Q1和Q4同相位，Q2与Q4在相位上互补，Q3即始终被置为低电平。当LLC的输出电压增益大于等于如图3所示的Mmid时，对应于图5中的310V时，LLC以全桥方式运行，等效电路如图1所示，在Mmid增益点的触发脉冲发生改变，如图4所示，该电压增益点Q3开始工作，同时Q1、Q2和Q4的频率由fmin提升到fHB,max，对应图5中频率由0.49fr提升到1.05fr，Q3也以fHB,max频率开通，进入全桥工作模式。当LLC的输出电压增益大于Mmid且小于Mmax时，LLC始终以全桥模式工作，在增益由Mmid上升到Mmax的过程中，Q1～Q4的工作频率由fHB,max逐渐上升到fmin。相同容量和磁芯材料情况下，变压器和谐振电感的体积与频率成反比，变压器磁芯大小与频率的关系为：Aw为磁芯窗口面积，Ae为磁芯有效面积，S为变压器容量，Bm为最大磁通密度，f为变压器工作频率，J为导体电流密度。由公式(1)可知，相同磁芯材料和功率容量下，变压器工作频率越高，其体积和重量越小。对一个LLC变流器，输入电压Vin＝400Vdc，谐振点输出电压Vo＝320Vdc，励磁电感与谐振电感之比k＝5，品质因数Q＝0.4，谐振频率fr＝80kHz本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽输出范围LLC变流器的控制方法，其特征在于，所述方法采用LLC变流器全桥和半桥灵活切换的控制方式，根据LLC变流器输出电压的需求，判断LLC的工作方式；当LLC变流器的输出电压小于半桥LLC变流器的峰值输出电压时，LLC变流器以半桥模式运行，当LLC变流器的输出电压大于半桥LLC变流器的峰值输出电压时，LLC变流器以全桥方式工作；半桥与全桥的切换点为半桥LLC变流器增益曲线的峰值处；LLC变流器以半桥模式工作时，LLC变流器有3只功率器件投入工作，其中有2只功率器件为对角关系，另一只功率器件为半桥LLC变流器电流提供续流通道，LLC变流器的工作频率由半桥LLC变流器允许的最高工作频率逐渐降低到半桥LLC变流器允许的最低工作频率，LLC变流器的输出电压由最低电压逐渐上升到半桥LLC变流器的峰值输出电压；LLC变流器以全桥模式工作时，LLC变流器的4只功率器件全部投入工作，LLC变流器的工作频率由全桥LLC变流器允许的最大工作频率逐渐减小到全桥LLC变流器允许的最小工作频率，输出电压由半桥LLC变流器的峰值输出电压逐渐升高到全桥LLC变流器的峰值输出电压；半桥LLC变流器切换到全桥LLC变流器的过程中，在投入第4只功率器件的同时，将LLC变流器中4只功率器件的工作频率全部提升到全桥LLC变流器的最高允许工作频率，以实现由半桥LLC变流器模式到全桥LLC变流器模式的平滑切换。...

【技术特征摘要】
1.一种宽输出范围LLC变流器的控制方法，其特征在于，所述方法采用LLC变流器全桥和半桥灵活切换的控制方式，根据LLC变流器输出电压的需求，判断LLC的工作方式；当LLC变流器的输出电压小于半桥LLC变流器的峰值输出电压时，LLC变流器以半桥模式运行，当LLC变流器的输出电压大于半桥LLC变流器的峰值输出电压时，LLC变流器以全桥方式工作；半桥与全桥的切换点为半桥LLC变流器增益曲线的峰值处；LLC变流器以半桥模式工作时，LLC变流器有3只功率器件投入工作，其中有2只功率器件为对角关系，另一只功率器件为半桥LLC变流器电流提供续流通道，LLC变流器的工作频率由半桥LLC变流器允许的最高工作频率逐渐降低到半桥LLC变流器允许的最低工作频率，LLC变流器的输出电压由最低电压逐渐上升到半桥LLC变流器的峰值输出电压；LLC变流器以全桥模式工作时，LLC变流器的4只功率器件全部投入工作，LLC变流器的工作频率由全桥LLC变流器允许的最大工作频...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐恒山，黄永章，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11