CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法技术

本发明专利技术公开一种CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法。该方法通过检测负载突变时电流变化状态，依据平面状态轨迹规划暂态过渡过程最优路径，从而计算出开关管开通与关断的最优时间，使变换器中各状态变量能够快速到达系统预期的理论轨迹。与传统线性控制相比，该控制方法在负载突变时提高了系统动态响应速度，实现了快速的暂态调节过程和更低的电压、电流过冲。进一步保证了系统在负载突变情况下仍可以稳定可靠的工作。况下仍可以稳定可靠的工作。况下仍可以稳定可靠的工作。

【技术实现步骤摘要】
CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子变换器
，涉及一种CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法。

技术介绍

[0002]人类社会正面临着能源短缺和因使用化石能源造成生态环境恶化这两大挑战，开发和利用新能源可以有效缓解上述危机。在新能源分布式发电系统、储能系统、电动汽车等新能源的应用领域，功率变换的关键问题是如何构建高效稳定的双向DC
‑
DC变换器。基于传统的单向LLC谐振变换器改进而来的CLLC双向谐振变换器继承了LLC变换器的优点，并克服了单向LLC在反向运行时难以实现ZVS及电压增益小于1的缺点，是非常适合进行双向DC
‑
DC变换的拓扑。
[0003]目前对CLLC谐振变换器的动态特性和控制策略设计的研究还不够深入，受限于硬件调频范围等因素，比例积分(PI)控制等传统的线性控制方法的暂态响应效果差，当控制器的带宽比较高，相位裕度比较小的时候，对动态的响应比较快，但是会出现一定程度的抖动，反之当带宽比较低，相位裕度比较大的时候，将会消除控制上的抖动，但是响应就比较慢。
[0004]因此，亟需研究新的控制方法来优化CLLC谐振变换器的负载动态响应过程。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法，以优化CLLC谐振变换器在负载切换的瞬态响应效果，提高变换器的动态响应速度。
[0006]本专利技术提供一种CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法，该方法通过检测负载突变时电流变化量，依据状态平面分析调节开关管脉宽大小，使变换器中各状态变量快速到达系统预期轨迹上，实现了CLLC谐振变换器的稳定可靠工作。
[0007]CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法，选择电容电压、电感电流建立状态轨迹，通过检测负载电流识别负载跳变情况，按照最优状态轨迹规划瞬态过程，以短时间，小超调实现负载的快速切换，实现步骤如下：
[0008]步骤一，以CLLC谐振变换器的原边侧第一谐振电容电压u
Cr1
，副边侧第二谐振电容电u
Cr2
，原边侧第一谐振电感电流i
Lr1
，副边侧第二谐振电感电流i
Lr2
作为状态变量，建立CLLC谐振变换器的状态轨迹模型；
[0009]步骤二，在CLLC谐振变换器工作时，检测CLLC谐振变换器的输出电压和负载电流，并判断负载状态和负载跳变情况；
[0010]步骤三，根据步骤二，如果负载没有跳变，则系统进入线性控制模式；
[0011]步骤四，根据步骤二，如果负载发生跳变且负载增加，则系统进入状态轨迹控制模式，系统通过计算负载跳变前后负载电流的大小计算该情况下对应的最优轨迹控制模式下的开关管脉宽宽度；
[0012]步骤五，根据步骤二，如果负载发生跳变且负载减少，则系统进入状态轨迹控制模式，系统通过计算负载跳变前后负载电流的大小计算该情况下对应的最优轨迹控制模式下的开关管脉宽宽度；
[0013]步骤六，根据步骤三，步骤四，步骤五，系统给出CLLC谐振变换器开关管的驱动信号。
[0014]CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法的根本在于状态轨迹模型的建立，选择原边侧第一谐振电容电压u
Cr1
，副边侧第二谐振电容电压u
Cr2
，原边侧第一谐振电感电流i
Lr1
，副边侧第二谐振电感电流i
Lr2
作为状态变量，其中CLLC谐振变换器的状态轨迹模型建立如下：
[0015]CLLC谐振变换器包括原边侧第一开关管S1、原边侧第一反并联二极管D1、原边侧第一寄生电容C1、原边侧第二开关管S2、原边侧第二反并联二极管D2、原边侧第二寄生电容C2、原边侧第三开关管S3、原边侧第三反并联二极管D3、原边侧第三寄生电容C3、原边侧第四开关管S4、原边侧第四反并联二极管D4、原边侧第四寄生电容C4、原边侧第一谐振电感L
r1
、原边侧第一谐振电容C
r1
、变压器励磁电感L
m
、匝比为n:1的变压器、副边侧第五开关管S5、副边侧第五反并联二极管D5、副边侧第五寄生电容C5、副边侧第六开关管S6、副边侧第六反并联二极管D6、副边侧第六寄生电容C6、副边侧第七开关管S7、副边侧第七反并联二极管D7、副边侧第七寄生电容C7、副边侧第八开关管S8、副边侧第八反并联二极管D8、副边侧第八寄生电容C8、副边侧第二谐振电感L
r2
、副边侧第二谐振电容C
r2
、输出电容C
o
、输入电压V
in
和输出电压V
o
，原边侧第一开关管S1与第二开关管S2串联构成第一桥臂，原边侧第三开关管S3与第四开关管S4串联构成第二桥臂；原边侧第一谐振电感L
r1
、原边侧第一谐振电容C
r1
、副边侧第二谐振电感L
r2
、副边侧第二谐振电容C
r2
以及匝比为n:1的变压器构成CLLC谐振变换器的谐振腔；副边侧开关管上的反并联二极管D5‑
D8构成CLLC谐振变换器的整流通路，开关管S1‑
S8均为MOS管。CLLC谐振变换器工作于其原边侧两元件串联谐振频率f
r
，其中两元件串联谐振频率计算公式如下：
[0016][0017]式中，L
r1
为原边侧第一谐振电感、C
r1
为原边侧第一谐振电容。对CLLC谐振变换器的电压变量按照输入电压V
in
进行标幺化，对其所有的电流变量按照V
in
/Z
o
进行标幺化，其中Z
o
为原边侧第一谐振电容C
r1
和原边侧第一谐振电感L
r1
的特征阻抗：
[0018][0019]状态变量中原副边侧谐振电感电流i
Lr1
、i
Lr2
和原副边侧谐振电容电压u
Cr1
、u
Cr2
标幺化后的值为i
Lr1N
、i
Lr2N
和u
Cr1N
、u
Cr2N
，以u
Cr1N
+u
Cr2N
为横坐标，i
Lr1
+i
Lr2
为纵坐标，建立CLLC谐振变换器的状态平面轨迹图。当变换器工作在谐振频率f
r
时，有V
in
＝nV
o
，n为变压器的匝比，此时CLLC谐振变换器的状态轨迹是以原点为圆心的圆，其方程如下
[0020](i
Lr1N
+i
Lr2N
)2+(u
Cr1N
+u
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，以CLLC谐振变换器的原边侧第一谐振电容电压u
Cr1
，副边侧第二谐振电容电u
Cr2
，原边侧第一谐振电感电流i
Lr1
，副边侧第二谐振电感电流i
Lr2
作为状态变量，建立CLLC谐振变换器的状态轨迹模型；步骤2，在CLLC谐振变换器工作时，检测CLLC谐振变换器的输出电压和负载电流，并判断负载状态和负载跳变情况；如果负载没有跳变，采用包括比例积分在内的控制方法，受控对象是输出电压，通过调节CLLC谐振变换器开关频率来调整电压增益的变频；如果负载发生跳变且负载增加，通过计算负载跳变前后负载电流的大小计算对应的最优轨迹控制模式下的开关管脉宽宽度，按照确定的开关管脉宽宽度给出CLLC谐振变换器开关管的驱动信号；如果负载发生跳变且负载减少，通过计算负载跳变前后负载电流的大小计算该情况下对应的最优轨迹控制模式下的开关管脉宽宽度，按照确定的开关管脉宽宽度给出CLLC谐振变换器开关管的驱动信号。2.根据权利要求1所述的CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法，其特征在于，所述CLLC谐振变换器包括原边侧第一开关管S1、与原边侧第一开关管S1并联的原边侧第一反并联二极管D1以及原边侧第一寄生电容C1；原边侧第二开关管S2、与原边侧第二开关管S2原边侧并联的第二反并联二极管D2、原边侧第二寄生电容C2；原边侧第三开关管S3、与原边侧第三开关管S3并联的原边侧第三反并联二极管D3、原边侧第三寄生电容C3；原边侧第四开关管S4、与；原边侧第四开关管S4并联的原边侧第四反并联二极管D4、原边侧第四寄生电容C4；原边侧第一谐振电感L
r1
、原边侧第一谐振电容C
r1
、变压器励磁电感L
m
、匝比为n:1的变压器、副边侧第五开关管S5、与副边侧第五开关管S5并联的副边侧第五反并联二极管D5、副边侧第五寄生电容C5；副边侧第六开关管S6、与副边侧第六开关管S6并联的副边侧第六反并联二极管D6、副边侧第六寄生电容C6；副边侧第七开关管S7、与副边侧第七开关管S7并联的副边侧第七反并联二极管D7、副边侧第七寄生电容C7；副边侧第八开关管S8、与副边侧第八开关管S8并联的副边侧第八反并联二极管D8、副边侧第八寄生电容C8；副边侧第二谐振电感L
r2
、副边侧第二谐振电容C
r2
、输出电容C
o
、输入电压V
in
和输出电压V
o
，原边侧第一开关管S1与第二开关管S2串联构成第一桥臂，原边侧第三开关管S3与第四开关管S4串联构成第二桥臂；原边侧第一谐振电感L
r1
、原边侧第一谐振电容C
r1
、副边侧第二谐振电感L
r2
、副边侧第二谐振电容C
r2
以及匝比为n:1的变压器构成CLLC谐振变换器的谐振腔。3.根据权利要求1所述的CLLC谐振变换器负载快速切换的最优轨迹控制方法，其特征在于，建立CLLC谐振变换器的状态轨迹模型的具体方法为：对CLLC谐振变换器的电压变量按照输入电压V
in
进行标幺化，对CLLC谐振变换器所有的电流变量按照V
in
/Z
o
进行标幺化，其中，Z
o
为原边侧第一谐振电容C
r1
和原边侧第一谐振电感L
r1
的特征阻抗；状态变量中原副边侧谐振电感电流i
Lr1
、i
Lr2
和原副边侧谐振电容电压u
Cr1
、u
Cr2
标幺化后的值为i
Lr1N
、i
Lr2N
和u
Cr1N
、u
Cr2N
，以u
Cr1N
+u
Cr2N
为横坐标，i
Lr1
+i
Lr2
为纵坐标，建立CLLC谐振变换器的状态平面轨迹图；当变换器工作在谐振频率f
r
时，V
in
＝nV
o
，n为变压器的匝比，CLLC
谐振变换器的状态轨迹是以原点为圆心的圆，方程如下(i
Lr1N
+i
Lr2N
)2+(u
Cr1N
+u
Cr2N
)2＝ρ2其中ρ是轨迹圆的半径，是与初始时刻原副边侧电容电压值，原边侧电感电流值相关的变...

【专利技术属性】
技术研发人员：李磊，刘博睿，张善路，焦龙腾，李璐璐，王恒力，伍星宇，汪诚，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：