适用于LLC谐振型变换器的能量双向控制策略制造技术

本发明专利技术涉及一种适用于LLC谐振型变换器的能量双向控制策略，步骤为：步骤1、将LLC谐振型变换器原边全桥电路中的开关管S1、S4的驱动脉冲设置为占空比50％的方波，开关管S2、S3的驱动脉冲与开关管S1、S4的驱动脉冲互补，开关管S2、S3的驱动脉冲和开关管S1、S4的驱动脉冲间须留有死区时间；步骤2、将LLC谐振型变换器副边全桥电路中开关管V1‑V4的驱动脉冲宽度设置为0.5Tr，其中V1、V4与S1、S4的开通时刻同步，V2、V3与S2、S3的开通时刻同步；步骤3、利用电压传感器采集LLC谐振型变换器的输出侧电压vb；步骤4、将采集到的输出侧电压vb和参考值vbref进行比较，其差值经PI控制器运算后，再通过压频转换，最后得到开关周期Ts，从而自动调节能量的双向流动。

【技术实现步骤摘要】
适用于LLC谐振型变换器的能量双向控制策略
本专利技术适用于轨道交通、智能电网、新能源等所有可能用到双向直流变换的领域，具体涉及一种适用于LLC谐振变换器的能量双向控制策略。
技术介绍
传统的LLC谐振变换器是一种隔离型单向DC/DC变换器，由于其具有很好的软开关实现能力，较宽的输入输出调节范围，同时具有效率高、功率密度大的特点，被广泛应用于高频开关电源领域，如笔记本电脑的适配器，LCD/LED驱动，微处理器电源芯片等。在上述应用场合中，LLC谐振变换器一般具有开关频率高，电压等级低，功率小，能量单向流动的特点。近年来，新能源技术不断发展，电动汽车，智能微网，新能源并网技术得到了广泛研究和关注；在电网领域，随着智能、环保、绿色和节能等理念的不断深化，交直流混合输、配电网，直流输、配电网，固态变压器，能量路由器的概念也被相继提出；在轨道牵引供电领域，新一代高效能牵引变流器-电力电子牵引变压器的研制也逐渐被提上日程。在以上众多的研究热点和应用场合中，均需要双向DC/DC变换器作为各等级直流母线间的接口，与此同时，为了保证直流变换系统的高效率和高功率密度，还要求DC/DC变换器具有一定的软开关能力且工作在尽可能高的工作频率，并同时兼具电气隔离能力。基于上述需求，LLC谐振型变换器作为一种高效能隔离型软开关DC/DC变换器，在上述应用场合具有很高的应用潜力和价值。然而，传统的LLC谐振型变换器的副边一般为二极管构成的不控整流桥结构，因此是一种单向的DC/DC变换器，并不适合能量双向流动的场合。为了实现LLC谐振型变换器能量的双向流动，人们把副边的二极管替换为可控型开关器件，如MOSFET，IGBT等。当能量正向流动时，原边开关器件正常工作，副边开关器件不施加驱动脉冲；当能量反向流动时，副边开关器件正常工作，而原边开关器件不施加驱动脉冲。通过上述方法，虽然实现了LLC谐振型变换器能量的双向流动，但其本质上为传统单向LLC谐振型变换器的正反向切换。它需要控制系统实时检测变换器的能量流动方向，这一方法十分依赖功率流向检测的可靠性和实时性，并且在正反向切换过程中会产生过电压以及变压器的饱和问题，具有较大的缺陷。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于基于传统LLC谐振型变换器拓扑结构无法实现能量双向流动，且现有的优化控制策略无法有效解决这一问题的现状，因此，本专利技术提出了一种适用于LLC谐振型变换器的能量双向控制策略，从而自动实现LLC谐振变换器的能量正反向切换。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：适用于LLC谐振型变换器的能量双向控制策略，所述LLC谐振型变换器的拓扑结构由两组全桥电路和一台隔离变压器构成，原边全桥电路由四支开关管S1-S4构成，桥臂中点A，B与谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器原边串联连接；副边全桥电路由四支开关管V1-V4构成，桥臂中点C，D与变压器副边相连；所述控制策略包括以下步骤：步骤1、将LLC谐振型变换器原边全桥电路中的开关管S1、S4的驱动脉冲设置为占空比50％的方波，开关管S2、S3的驱动脉冲与开关管S1、S4的驱动脉冲互补，开关管S2、S3的驱动脉冲和开关管S1、S4的驱动脉冲间须留有死区时间；步骤2、将LLC谐振型变换器副边全桥电路中开关管V1-V4的驱动脉冲宽度设置为0.5Tr，其中，Tr为谐振电感Lr和谐振电容Cr的谐振周期，开关管V1、V4与开关管S1、S4的开通时刻同步，开关管V2、V3与开关管S2、S3的开通时刻同步；步骤3、利用电压传感器采集LLC谐振型变换器的输出侧电压vb；步骤4、将采集到的输出侧电压vb和参考值vbref进行比较，其差值经PI控制器运算后，再通过压频转换，最后得到开关周期Ts，从而自动调节能量的双向流动，并保证输出电压的稳定。在上述方案的基础上，当无法准确得到谐振周期Tr时，相应的优化控制策略为：当开关周期Ts大于空载开关周期Tnl时，开关管V1-V4的驱动脉冲宽度设置范围为0.25Ts-0.5Tr；当开关周期Ts小于空载开关周期Tnl时，开关管V1-V4的驱动脉冲宽度设置范围为0.5Tr-0.5Ts。在上述方案的基础上，当开关周期Ts大于空载开关周期Tnl时，开关管V1-V4的驱动脉冲宽度优选为0.3Ts，当开关周期Ts小于空载开关周期Tnl时，开关管V1-V4的驱动脉冲宽度优选为0.5Ts。在上述方案的基础上，所述原边全桥电路中的四支开关管S1-S4的驱动脉冲宽度始终为0.5Ts。在上述方案的基础上，所述PI控制器可以被其他同等效力的数字控制器或模拟控制器替代。在上述方案的基础上，所述LLC谐振型变换器中的开关管S1-S4和V1-V4均为反并联二极管或具有反并联二极管特征的全控型开关器件。在上述方案的基础上，所述全控型开关器件为MOSFET或IGBT。在上述方案的基础上，当无法准确得到谐振周期Tr，所述开关管V1-V4的驱动脉冲宽度需要进行调节时，其驱动脉冲宽度既可以阶跃变化，也可采取线性或其他非线性的动态变化。在上述方案的基础上，当能量由正向满载切换至空载，为了保证输出电压稳定，需要降低开关周期Ts直到空载开关周期Tnl；当能量由空载切换至反向满载，需要从空载开关周期Tnl开始，进一步降低开关周期Ts直到谐振周期Tr，从而保证输出电压稳定。在上述方案的基础上，所述LLC谐振型变换器在空载工况下依然进行正反向的能量交换，可在闭环模式下控制输出侧电压vb的稳定，无需其他空载启动策略。本专利技术的有益效果：1、在本专利技术中，LLC谐振变换器无需通过能量流动方向的检测即可自动实现能量的双向流动；2、本专利技术中，LLC谐振变换器正向工作时，原边开关器件可以实现零电压开通和低电流关断。副边开关器件可以实现零电流开通和零电流关断；LLC谐振变换器反向工作时，原边开关器件可以实现零电压开通和低电流关断，副边开关器件可以实现零电流开通和零电压关断。3、本专利技术能有效解决LLC谐振变换器的空载启动问题，实现能量正反向的无冲击自动切换。附图说明本专利技术有如下附图：图1是全桥LLC谐振变换器结构原理图；图2是能量正向流动时开关器件驱动脉冲波形及变换器工作原理图；图3是能量反向流动时开关器件驱动脉冲波形及变换器工作原理图；图4是适用于全桥LLC谐振变换器的能量双向控制策略框图；图5是优化的适用于全桥LLC谐振变换器的能量双向控制策略框图。具体实施方式下面结合1-5附图，对一种适用于LLC谐振型变换器的能量双向控制策略做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。图1是全桥LLC谐振变换器结构原理图。该拓扑结构由两组全桥电路和一台隔离变压器构成，原边全桥电路由四支开关管S1-S4构成，桥臂中点A，B与谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器原边串联连接；副边全桥电路由四支开关管V1-V4构成，桥臂中点C，D与变压器副边相连。其中，全桥LLC谐振变换器拓扑结构中的所有的开关器件均为带反并联二极管或具有反并联二极管特性的全控型开关器件(如MOSFET，IGBT等)，且开关周期完全相同，均为Ts；在变压器原边侧，开关管S1、S4的驱动脉冲为占空比50％的方波，S2、S3的驱动脉冲与S1、S4的驱动脉冲互补；并且S2、S3的驱动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于LLC谐振型变换器的能量双向控制策略，所述LLC谐振型变换器的拓扑结构由两组全桥电路和一台隔离变压器构成，原边全桥电路由四支开关管S1‑S4构成，桥臂中点A，B与谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器原边串联连接；副边全桥电路由四支开关管V1‑V4构成，桥臂中点C，D与变压器副边相连；其特征在于，所述控制策略包括以下步骤：步骤1、将LLC谐振型变换器原边全桥电路中的开关管S1、S4的驱动脉冲设置为占空比50％的方波，开关管S2、S3的驱动脉冲与开关管S1、S4的驱动脉冲互补，开关管S2、S3的驱动脉冲和开关管S1、S4的驱动脉冲间须留有死区时间；步骤2、将LLC谐振型变换器副边全桥电路中开关管V1‑V4的驱动脉冲宽度设置为0.5Tr，其中，Tr为谐振电感Lr和谐振电容Cr的谐振周期，开关管V1、V4与开关管S1、S4的开通时刻同步，开关管V2、V3与开关管S2、S3的开通时刻同步；步骤3、利用电压传感器采集LLC谐振型变换器的输出侧电压vb；步骤4、将采集到的输出侧电压vb和参考值vbref进行比较，其差值经PI控制器运算后，再通过压频转换，最后得到开关周期Ts，从而自动调节能量的双向流动，并保证输出电压的稳定。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于LLC谐振型变换器的能量双向控制策略，所述LLC谐振型变换器的拓扑结构由两组全桥电路和一台隔离变压器构成，原边全桥电路由四支开关管S1-S4构成，桥臂中点A，B与谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器原边串联连接；副边全桥电路由四支开关管V1-V4构成，桥臂中点C，D与变压器副边相连；其特征在于，所述控制策略包括以下步骤：步骤1、将LLC谐振型变换器原边全桥电路中的开关管S1、S4的驱动脉冲设置为占空比50％的方波，开关管S2、S3的驱动脉冲与开关管S1、S4的驱动脉冲互补，开关管S2、S3的驱动脉冲和开关管S1、S4的驱动脉冲间须留有死区时间；步骤2、将LLC谐振型变换器副边全桥电路中开关管V1-V4的驱动脉冲宽度设置为0.5Tr，其中，Tr为谐振电感Lr和谐振电容Cr的谐振周期，开关管V1、V4与开关管S1、S4的开通时刻同步，开关管V2、V3与开关管S2、S3的开通时刻同步；步骤3、利用电压传感器采集LLC谐振型变换器的输出侧电压vb；步骤4、将采集到的输出侧电压vb和参考值vbref进行比较，其差值经PI控制器运算后，再通过压频转换，最后得到开关周期Ts，从而自动调节能量的双向流动，并保证输出电压的稳定。2.如权利要求1所述的适用于LLC谐振型变换器的能量双向控制策略，其特征在于，当无法准确得到谐振周期Tr时，相应的优化控制策略为：当开关周期Ts大于空载开关周期Tnl时，开关管V1-V4的驱动脉冲宽度设置范围为0.25Ts-0.5Tr；当开关周期Ts小于空载开关周期Tnl时，开关管V1-V4的驱动脉冲宽度设置范围为0.5Tr-0.5Ts。3.如权利要求2所述的适用于LLC...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建强，张捷频，杨景熙，赵楠，汪洋，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11