CLLC谐振变换器软启动最优轨迹控制方法技术

本发明专利技术公开一种CLLC谐振变换器软启动最优轨迹控制方法。该方法以满载时电流峰值为最大值，设置对称限流带，分阶段对软启动过程进行分析和计算。软启动第一阶段，轨迹在两个脉冲作用下从原点到达负限制带附近；第二阶段采用最优轨迹控制方法，分析并建立输出电压与开关频率的关系，实现输出电压平稳上升，直至完全建立。最终使得在任何一个负载条件下，软启动完成之前谐振电流峰值均不会超过所限制的最大值。该方法可以使启动过程快速且平滑，有效降低电压和电流应力。效降低电压和电流应力。效降低电压和电流应力。

【技术实现步骤摘要】
CLLC谐振变换器软启动最优轨迹控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子变换器
，具体为一种CLLC谐振变换器软启动最优轨迹控制方法。

技术介绍

[0002]随着高能耗产业的快速增长，可再生能源如风能、海洋能、太阳能等的开发利用发展迅速。在分布式电网中，双向DC
‑
DC变换器是储能系统的重要组件，其中谐振变换器已经被广泛地应用于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。CLLC谐振变换器在双向LLC变换器的基础上进一步优化，具有更高功率密度、更宽的调压范围，可以在双向运行、较大频率范围内实现软开关，大大减小了开关损耗，具有广阔的研究前景和良好的发展潜力。
[0003]电路启动过程中，如不加以控制，将对电路的安全运行造成威胁。如果启动的频率较低，启动时刻将会产生很大的谐振电压和谐振电流尖峰，造成谐振电容电压和谐振电感电流超调；如果启动的频率足够高，启动初始阶段电压电流应力则会较低，但当频率下降过快，依然会出现较大的电压电流应力，容易在启动过程中触发过流保护，造成系统误保护；如果频率降得过慢，又会使输出电压的建立变慢，软启动的过程将会拉长。因此，CLLC谐振变换器的软启动过程需要进行进一步的研究，在限制谐振腔电压电流应力的同时，快速平滑地建立输出电压。
[0004]为避免启动过程出现过大的谐振电压和电流超调，目前已有的控制策略主要是变频软启动和轨迹优化控制两种。变频启动策略逻辑简单、易于实现，但为了将启动段谐振腔的电压电流应力限制在较低水平，需要非常高的启动频率，整个软启动过程耗时较长，电压建立缓慢；状态轨迹分析理论可以最小化谐振腔的电压和电流应力，实现快速、安全的软启动过程，但对于控制器要求较高，实现成本也随之增加。
[0005]因此亟需一种可以在快速建立输出电压的同时拥有平滑的启动过程，且谐振电感电流和谐振电容电压均没有冲击的软启动控制方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种CLLC谐振变换器软启动最优轨迹控制方法，通过设置对称限流带，实现在任何负载条件下，软启动过程谐振电流峰值均不会超过所限制的最大值，启动过程快速且平滑，有效降低电压和电流应力。
[0007]实现本专利技术目的的技术方案为：一种CLLC谐振变换器软启动最优轨迹控制方法，包括以下步骤：
[0008]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；
[0009]步骤2，建立谐振腔的初始状态，并根据满载时谐振电流峰值设置对称电流限制
带，设计软启动第一阶段的轨迹，计算变换器开关频率，使轨迹在两个脉冲后由原点到达负电流限制带；
[0010]步骤3，采用最优频率控制，建立启动频率与输出电压的关系，使CLLC变换器的轨迹逐渐向稳态圆逼近，实现输出电压快速且平滑上升；
[0011]步骤4，最优控制频率到达极小值附近，通过拟合到达频率极小值前的开关频率
‑
输出电压曲线，使开关频率继续降低至谐振频率附近并保持恒定，直至输出电压完全建立。
[0012]优选地，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。
[0013]优选地，建立CLLC谐振变换器的状态轨迹模型的具体方法为：
[0014]用输入电压V
in
标幺化CLLC谐振变换器中的所有电压量，用V
in
/Z0标幺化CLLC谐振变换器中的所有电流量，用Z0标幺化CLLC谐振变换器中的所有阻抗量，其中，Z0为原边侧第一谐振电感L
r1
和原边侧第一谐振电容C
r1
的特征阻抗；
[0015]将CLLC谐振变换器中的原副边谐振电感电流i
Lr1
、i
Lr2
和原副边谐振电容电压u
Cr1
、u
Cr2
进行标幺化，分别得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CLLC谐振变换器工作于两元件串联谐振频率f0时，其轨迹是一个以原点为圆心的圆，方程如下
[0016](i
Lr1N
+i
Lr2N
)2+(u
Cr1N
+u
Cr2N
)2＝ρ2[0017]其中，ρ是轨迹圆的半径。
[0018]优选地，CLLC谐振变换器原边侧两元件串联谐振频率f0的计算公式如下：
[0019][0020]其中，L
r1
为原边侧第一谐振电感、C
r1
为原边侧第一谐振电容。
[0021]优选地，根据满载时谐振电流峰值和过谐振启动时初始电流三角波峰值设置对称电流限本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐振变换器软启动最优轨迹控制方法，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，建立谐振腔的初始状态，并根据满载时谐振电流峰值设置对称电流限制带，设计软启动第一阶段的轨迹，通过轨迹几何关系计算变换器开关频率，使轨迹在两个脉冲后由原点到达负电流限制带；步骤3，采用最优频率控制，建立启动频率与输出电压的关系，使CLLC变换器的轨迹逐渐向稳态圆逼近，实现输出电压快速且平滑上升；步骤4，最优控制频率到达极小值附近，通过拟合到达频率极小值前的开关频率
‑
输出电压曲线，使开关频率继续降低至谐振频率附近并保持恒定，直至输出电压完全建立。2.根据权利要求1所述的谐振变换器软启动最优轨迹控制方法，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所述的谐振变换器软启动最优轨迹控制方法，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：用输入电压V
in
标幺化CLLC谐振变换器中的所有电压量，用V
in
/Z0标幺化CLLC谐振变换器中的所有电流量，用Z0标幺化CLLC谐振变换器中的所有阻抗量，其中，Z0为原边侧第一谐振电感L
r1
和原边侧第一谐振电容C
r1
的特征阻抗；将CLLC谐振变换器中的原副边谐振电感电流i
Lr1
、i
Lr2
和原副边谐振电容电压u
Cr1
、u
Cr2
进行标幺化，分别得i
Lr1N
、i
Lr2N
和u
Cr1N
、u
Cr2N

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