一种LLC谐振变换器结构及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种LLC谐振变换器结构和控制方法，通过输出端的负载情况实时调整LLC谐振网络的谐振腔电感比值k的大小，具体通过在轻负荷区增大励磁电感比值k，降低谐振腔损耗，提高轻载效率，可使全负载范围内的变换器效率维持在较高水平。

A LLC Resonant Converter Structure and Its Control Method

The invention provides a structure and control method of LLC resonant converter. The resonant inductance ratio K of LLC resonant network is adjusted in real time by the load of output terminal. Specifically, by increasing the excitation inductance ratio K in the light load area, the resonant cavity loss is reduced and the light load efficiency is improved, the converter efficiency in the full load range can be maintained at a higher level.

【技术实现步骤摘要】
一种LLC谐振变换器结构及其控制方法
本专利技术涉及隔离型开关电源功率变换器领域，具体涉及一种改进型变拓扑结构式高效率水平LLC谐振变换器以及控制方法。
技术介绍
随着电力电子技术的迅速发展，高频开关电源功率变换器已在绝大部分应用场合取代了效率偏低的线性电源，广泛应用于工业自动化、通讯、计算机、航空航天等领域。大功率、高效率和高功率密度已是开关电源的主要发展方向和追求目标，LLC谐振变换器在软开关方面具有优良的特性，成为业界目前广泛应用的软开关谐振拓扑之一，但变频控制(PFM)LLC谐振变换器随着输出侧负载变轻，需要提高工作频率以稳定输出电压，该特性导致其存在轻载状态下效率较低的问题。针对LLC谐振变换器轻载效率较低的问题，业界学者以及相关人员作出大量研究工作，比如已公开文献《OptimaltrajectorycontrolofburstmodeforLLCresonantconverter》IEEETransactionsonPowerElectronics28.1(2013)：457-466，文中提出采用Burst控制模式提高LLC谐振变换器在轻载时的效率，具有明显效果，但Burst控制模式可能导致电流噪声，对负载产生影响，同时Burst控制模式往往在极轻负载阶段以及空载阶段投入使用，因此效率提升范围相对较小。又比如文献《AnalysisandimplementationofLLCburstmodeforlightloadefficiencyimprovement》AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,2009.APEC2009.Twenty-FourthAnnualIEEE.IEEE,2009：58-64，在Burst控制模式的基础上提出一种分段控制方法，将LLC的Burst控制模式分为三个过程，并仔细分析每个过程的损耗分布，找到降低功率损耗的规则，确保在不同负载点达到最高效率，该方法在0％-15％负载范围内使得轻载效率明显提高，但其作用范围仍然较小。现阶段多采用引入Burst控制模式提高LLC谐振变换器轻载效率，各方面研究表明该方法能够有效提高轻载效率，但同时也存在着有效作用范围较小、控制模式相对复杂等问题。本专利技术采用变拓扑结构式思想理论提供一种基于变压器复合联接的高效LLC谐振变换器拓扑结构及控制方法，能够在较宽负荷范围内实现变换器效率的提高。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种LLC谐振变换器结构及其控制方法，有效解决现有LLC谐振变换器轻载效率水平低的问题。为达成上述目的，本专利技术提出如下技术方案：一种LLC谐振变换器结构的控制方法，通过实时判断负荷功率Po大小来调节谐振腔电感比值k的大小，使谐振腔电感比值k与当前负荷功率区间适配；其中，k＝Lm/Lr，这里Lm为励磁电感，Lr为谐振电感；具体适配方法如下：根据负荷功率的大小，通过J-1个负荷功率区间分段点将负荷功率划分为J个区间，其中J为不小于2的正整数，区间1到区间J的负荷功率值递增；当负荷功率Po大小满足Pswitch-j-1<Po≤Pswitch-j时，将当前谐振腔电感比值k设置为kj；其中，Pswitch-j表示区间j与区间j+1的之间的负荷功率分段点，j为1～J-1间的正整数。进一步的，在本专利技术中，所述负荷功率区间分段点Pswitch-j的值为：其中，Gmax为所需最大电压增益，Vo为输出电压，n为变压器变比，Cr为LLC谐振网络的谐振电容。基于上述专利技术方法，本专利技术进一步提供一种LLC谐振变换器结构，包括主电路和控制电路两大部分，所述主电路部分依次包括：输入侧逆变网络、LLC谐振网络、高频变压器组、二次侧整流滤波网络和输出端；所述LLC谐振网络包括谐振电感Lr、谐振电容Cr以及J个相互并联的励磁电感Lmj；所述高频变压器组由多个高频变压器并联复合而成，且并联复合的方式为一次侧直接并联，二次侧整流后并联；所述每个高频变压器的一次侧分别与上述一个励磁电感Lmj并联；上述高频变压器中至少有J-1个高频变压器的一次回路中设置有控制开关，所述控制开关受控于控制电路并用于投切对应的高频变压器及励磁电感Lmj；所述控制电路用于根据输出端的负荷功率Po大小来调节各控制开关状态，以使得谐振腔电感比值k与当前负荷功率Po大小适配；其中，k＝Lm/Lr，这里Lm为复合励磁电感，Lr为谐振电感。进一步的，在上述结构中，所述控制电路中预设有控制程序，所述控制程序按照如下方式进行控制：根据负荷功率的大小，通过J-1个负荷功率区间分段点将负荷功率划分为J个区间，其中J为不小于2的正整数，区间1到区间J的负荷功率值递增；当负荷功率Po大小满足Pswitch-j-1<Po≤Pswitch-j时，通过向控制开关发送投切信号将当前谐振腔电感比值k调整为kj；其中，Pswitch-j表示区间j与区间j+1的之间的负荷功率分段点，j为1～J-1间的正整数。进一步的，在上述结构中，所述控制电路部分依次包括：输出电压电流采样电路、DSP数字控制器以及驱动电路；输出电压电流采样电路用于对主电路输出端的电压Vo、输出电流Io采样并进行模数转换后送给DSP数字控制器；DSP数字控制器用于接收转换后的数字信号，并对输入侧逆变网络进行闭环控制以及计算出负荷功率Po和所对应的谐振腔电感比值kj，继而用于输出相应的控制信号给驱动电路；所述驱动电路用于接收DSP的控制信号并驱动高频变压器控制开关作出相应投切动作以将当前谐振腔电感比值k调整为kj。有益效果：由以上技术方案可知，本专利技术的技术方案提供了一种LLC谐振变换器结构及控制方法。采用切换控制策略灵活改变LLC谐振参数，通过在轻负荷区增大励磁电感比值k，降低谐振腔损耗，提高轻载效率，可使全负载范围内的变换器效率维持在较高水平。另外本专利技术的技术方案通过采用多个高频变压器一次侧直接并联，二次侧整流后并联的拓扑结构，减小了大功率开关电源变换器高频变压器环节的设计难度，且二次侧整流后并联的结构恰好还能阻断环流回路。变压器并联结构的主要优点有：有利于分散热点、提高磁性元件寿命；有利于减小变换器体积、增大功率密度；.有利于提高隔离型功率变换器变压器环节功率上限，适用于任何变压器隔离型功率变换器场合。应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的专利技术主题的一部分。结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本专利技术教导的前述和其他方面、实施例和特征。本专利技术的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本专利技术教导的具体实施方式的实践中得知。附图说明附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本专利技术的各个方面的实施例，其中：图1为本专利技术所提变压器复合联接的高效LLC谐振变换器整体结构图。图2为采用基波分析法(FHA)得到的交流等效电路图。图3为本专利技术所提变压器切换控制方法逻辑流程图。图4为所提变压器复合联接的高效LLC谐振变换器闭环控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LLC谐振变换器结构的控制方法，其特征在于：通过实时判断负荷功率Po大小来调节谐振腔电感比值k的大小，使谐振腔电感比值k与当前负荷功率区间适配；其中，k＝Lm/Lr，这里Lm为LLC谐振网络的励磁电感，Lr为LLC谐振网络的谐振电感；具体适配方法如下：根据负荷功率的大小，通过J‑1个负荷功率区间分段点将负荷功率划分为J个区间，其中J为不小于2的正整数，区间1到区间J的负荷功率值递增；当负荷功率Po大小满足Pswitch‑j‑1<Po≤Pswitch‑j时，将当前谐振腔电感比值k设置为kj；其中，Pswitch‑j表示区间j与区间j+1的之间的负荷功率分段点，j为1～J‑1间的正整数。

【技术特征摘要】
1.一种LLC谐振变换器结构的控制方法，其特征在于：通过实时判断负荷功率Po大小来调节谐振腔电感比值k的大小，使谐振腔电感比值k与当前负荷功率区间适配；其中，k＝Lm/Lr，这里Lm为LLC谐振网络的励磁电感，Lr为LLC谐振网络的谐振电感；具体适配方法如下：根据负荷功率的大小，通过J-1个负荷功率区间分段点将负荷功率划分为J个区间，其中J为不小于2的正整数，区间1到区间J的负荷功率值递增；当负荷功率Po大小满足Pswitch-j-1<Po≤Pswitch-j时，将当前谐振腔电感比值k设置为kj；其中，Pswitch-j表示区间j与区间j+1的之间的负荷功率分段点，j为1～J-1间的正整数。2.根据权利要求1所述的一种LLC谐振变换器结构的控制方法，其特征在于：所述负荷功率区间分段点Pswitch-j的值为：其中，Gmax为所需最大电压增益，Vo为输出电压，n为变压器变比，Cr为LLC谐振网络的谐振电容。3.一种LLC谐振变换器结构，包括主电路和控制电路两大部分，所述主电路部分依次包括：输入侧逆变网络、LLC谐振网络、高频变压器组、二次侧整流滤波网络和输出端，其特征在于：所述LLC谐振网络包括谐振电感Lr、谐振电容Cr以及J个相互并联的励磁电感Lmj；所述高频变压器组由多个高频变压器并联复合而成，且并联复合的方式为一次侧直接并联，二次侧整流后并联；所述每个高频变压器的一次侧分别与上述一个励磁电感Lmj并联；上述高频变压器中至少有J-1个高频变压器的一次回路中设置有控制开关，所述控制开关受控于控制电路并用于投切对应的高频变压器及励磁电感Lmj；所述控制电路用于根据输出端的负荷功率Po大小来调节各控制开关状态，以使得谐振腔电感比值k与当前负荷功率Po大小适配；其中，k＝Lm/Lr，这里...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓东，董保成，刘宿城，唐龙飞，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34