一种变圆心平均几何控制移相软启动系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种变圆心平均几何控制移相软启动系统及方法。控制器通过时域分析法计算LLC谐振变换器启动过程第一个半周期内输出电容的电流平均值，进而计算等效电感、等效角频率；以输出电容的电压及其电流平均值作为X轴和Y轴构建轨迹平面坐标系，设定输出电容的电流平均值的限制值，计算启动轨迹的圆弧数量、每段圆弧的圆心和运行时间；将每段圆弧的圆心的X轴坐标依次赋值于电压增益，通过时域分析法计算每段圆弧的移相角度，再结合每段圆弧的运行时间生成逆变器的开关控制信号，进行逆变控制。本发明专利技术圆弧轨迹处于输出电容电流平均值接近限制值而电压上升很快的区间，启动效率高；且圆弧轨迹的运行时间相等，大幅降低计算量，无需高速采样。无需高速采样。无需高速采样。

【技术实现步骤摘要】
一种变圆心平均几何控制移相软启动系统及方法


[0001]本专利技术属于电力电子装置中谐振变换器的控制
，尤其涉及一种变圆心平均几何控制移相软启动系统及方法。

技术介绍

[0002]随着新能源技术的不断发展，LLC谐振型变换器因具有易于实现的软开关特性与较高的功率密度，成为了一种高效DC
‑
DC变换器，在电力电子储能装置、电动汽车充电以及开关电源等领域的应用比较广泛。然而谐振变换器谐振腔输入阻抗很小，而启动时滤波电容两端电压很低，相当于短路，导致在上电启动过程中存在涌流和输出电压过冲的现象，尤其在大功率变换器中涌流问题更加突出，可能会导致诸如烧毁电路等严重问题。
[0003]为了减小启动冲击电流，同时尽快使得输出电压平稳地达到额定值，出现了三类软启动控制方法：降频软启动、移相软启动以及最优轨迹控制软启动。
[0004]其中，降频软启动和移相软启动分别利用LLC谐振变换器的输出电压随原边逆变器的开关频率升高、左右桥臂间移相角度增大而降低的特性，在启动初期以数倍于额定频率或较大的移相角度(固定开关频率)开始工作，然后逐渐降频或减小移相角度，直至达到额定稳态。然而，降频软启动的高开关频率不便于数字控制器实现，导致磁性元件和开关管的过度设计，提高成本；而且由于电压随频率升高而下降的趋势很缓慢，提高频率对减小电压的调节能力有限，因此仍然存在较大的启动电流。移相软启动根据变换器的时域等效模型逐开关周期地反复试探满足电流限制的移相角度，计算量很大。最优轨迹软启动也是根据变换器的时域等效模型，计算切换开关频率的时刻或者每一次开关开通、关断时间，因此开关频率也不固定，控制回路的延迟会造成轨迹超出控制，需要高速的采样和控制，成本比较高。
[0005]为了在固定开关频率实现低成本的软启动，现有技术提出了一种针对半桥LLC变换器的平均几何控制方法。该方法将变换器原边的谐振网络等效为一个平均电感L
AM
，与输出电容C构成二阶等效电路，在启动过程中控制C的平均电流i
CAM
与输出电压V
o
的平面轨迹，限制启动冲击电流。所有参数变量标幺化处理之后，在半桥逆变器以谐振频率和零移相角度输出时，V
o
、i
CAM
的轨迹是以(1,0)为圆心、以初始状态坐标与(1,0)的距离为半径的圆弧，至i
CAM
达到电流限值时结束；半桥逆变器停止输出时，V
o
、i
CAM
的轨迹是以(
‑
1,0)为圆心、以初始状态坐标与(
‑
1,0)的距离为半径的圆弧，至i
CAM
下降到0时结束。半桥逆变器输出与停止的轨迹圆弧交替切换，通过逐段计算与控制正常输出与停止的时间，使得i
CAM
不断上升与下降但峰值不超过限值，而V
o
持续上升。但是该方法有如下缺陷：
[0006]启动过程中运行轨迹比较多的处于dV
o
/di
CAM
很小的区间，输出电容充电电流平均值在零到电流限值之间反复震荡，V
o
上升较慢，启动过程效率较低，且波动较大。
[0007]启动过程中每段圆弧的运行时间为变化量，需逐个计算，计算量较大；逆变器输出与停止的时间计算误差很容易造成电流超限，对电路参数准确性和计算精度要求较高。
[0008]本专利技术提出一种适用于全桥LLC谐振变换器的更快速、计算量更小的平均几何控
制移相软启动方法。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是为全桥LLC谐振变换器提出一种固定开关频率、成本低、小计算量的平均几何软启动方法。该方法对原边逆变器采用定频移相控制，建立变换器的二阶等效电路，通过控制输出电容电流的平均值间接控制原边输入电流的峰值。以输出电容的电压及其电流平均值作为X轴和Y轴构建轨迹平面坐标系，启动轨迹由多段接近电流限制值的圆弧组成，每段圆弧的圆心对应一个移相角度。启动中圆弧的圆心逐渐从(0,0)附近向稳态的(1,0)靠近，半径不超过电流限制，移相角度随之减小；直至启动末期才采用一段以(
‑
1,0)为圆心、半径为2的圆弧轨迹完成向稳态的过渡。该方法的运行轨迹大部分处于|dV
o
/di
CAM
|很大的区间，所以电压上升速度更快；同时，除了首段和末段的大部分圆弧的运行时间相等，计算量大幅降低，无需高速采样，易于实现。
[0010]另外，利用时域分析法分析LLC谐振变换器的开关状态，列写电路状态方程，推导计算模型，根据移相角度计算电路的电压和电流，以及根据电压增益计算移相角度是已知技术。
[0011]本专利技术系统的技术方案为一种变圆心平均几何控制移相软启动系统，包括：
[0012]控制器、逆变器、谐振电容、谐振电感、变压器、整流器、输出电容、负载电阻；
[0013]所述的谐振电容、谐振电感、所述变压器的原边绕组串联，进一步连接至所述逆变器的交流输出端；
[0014]所述整流器的交流输入端子连接至所述变压器的副边绕组；
[0015]所述输出电容与所述负载电阻并联后连接至所述整流器的直流输出端子。
[0016]本专利技术系统的技术方案为一种变圆心平均几何控制移相软启动方法，具体步骤如下：
[0017]步骤1：控制器计算谐振频率，并构建电压增益模型，将逆变器的开关频率设定为谐振频率，将移相角度设定为零，通过时域分析法计算得到启动过程第一个半周期内输出电容的多个时刻电流瞬时值，进一步计算启动过程第一个半周期内输出电容的电流平均值；
[0018]步骤2：计算等效电感、等效角频率、基准电压、基准阻抗、基准电流；
[0019]步骤3：以输出电容的直流电压作为X轴、输出电容的电流平均值作为Y轴构建轨迹平面坐标系，选取输出电容的直流电压为零且输出电容的电流平均值为零作为轨迹平面坐标系的原点，设定输出电容的电流平均值的限制值，在轨迹平面坐标系中计算圆弧的初始数量、每段圆弧的圆心、每段圆弧的圆心角，进一步计算每段圆弧的运行时间；
[0020]步骤4：结合多段圆弧根据圆弧距离判定模型增加末段圆弧轨迹，并计算圆弧的总数量、末段圆弧轨迹的每段圆弧的运行时间，并更新多段圆弧中最后一段圆弧的运行时间；
[0021]步骤5：将每段圆弧的圆心的X轴坐标依次赋值于电压增益，通过时域分析法计算得到每段圆弧的移相角度，将末段圆弧轨迹的每段圆弧的移相角度均设置为0，控制器结合每段圆弧的运行时间、末段圆弧轨迹的每段圆弧的运行时间生成启动过程逆变器的开关控制信号，结合启动过程逆变器的开关控制信号进行逆变器的逆变控制；末段圆弧轨迹的最后以一段圆弧的运行时间结束后，控制器控制逆变器稳态输出；
[0022]作为优选，步骤1所述谐振频率为：
[0023][0024]其中，f
r
表示谐振频率，C
r
表示谐振电容的容值，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变圆心平均几何控制移相软启动系统，其特征在于，包括：控制器、逆变器、谐振电容、谐振电感、变压器、整流器、输出电容、负载电阻；所述的谐振电容、谐振电感、所述变压器的原边绕组串联，进一步连接至所述逆变器的交流输出端；所述整流器的交流输入端子连接至所述变压器的副边绕组；所述输出电容与所述负载电阻并联后连接至所述整流器的直流输出端子；控制器计算谐振频率并构建电压增益模型，计算等效电感、等效角频率、基准电压、基准阻抗、基准电流；构建轨迹平面坐标系，在轨迹平面坐标系中计算圆弧的初始数量、每段圆弧的圆心、每段圆弧的圆心角，进一步计算每段圆弧的运行时间；结合多段圆弧根据圆弧距离判定模型增加末段圆弧轨迹，并计算圆弧的总数量、末段圆弧轨迹的每段圆弧的运行时间，并更新多段圆弧中最后一段圆弧的运行时间；控制器结合每段圆弧的运行时间、末段圆弧轨迹的每段圆弧的运行时间生成启动过程逆变器的开关控制信号，结合启动过程逆变器的开关控制信号进行逆变器的逆变控制；末段圆弧轨迹的最后以一段圆弧的运行时间结束后，控制器控制逆变器稳态输出。2.一种利用权利要求1所述的变圆心平均几何控制移相软启动系统进行变圆心平均几何控制移相软启动方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：控制器计算谐振频率，并构建电压增益模型，将逆变器的开关频率设定为谐振频率，将移相角度设定为零，通过时域分析法计算得到启动过程第一个半周期内输出电容的多个时刻电流瞬时值，进一步计算启动过程第一个半周期内输出电容的电流平均值；步骤2：计算等效电感、等效角频率、基准电压、基准阻抗、基准电流；步骤3：以输出电容的直流电压作为X轴、输出电容的电流平均值作为Y轴构建轨迹平面坐标系，选取输出电容的直流电压为零且输出电容的电流平均值为零作为轨迹平面坐标系的原点，设定输出电容的电流平均值的限制值，在轨迹平面坐标系中计算圆弧的初始数量、每段圆弧的圆心、每段圆弧的圆心角，进一步计算每段圆弧的运行时间；步骤4：结合多段圆弧根据圆弧距离判定模型增加末段圆弧轨迹，并计算圆弧的总数量、末段圆弧轨迹的每段圆弧的运行时间，并更新多段圆弧中最后一段圆弧的运行时间；步骤5：将每段圆弧的圆心的X轴坐标依次赋值于电压增益，通过时域分析法计算得到每段圆弧的移相角度，将末段圆弧轨迹的每段圆弧的移相角度均设置为0，控制器结合每段圆弧的运行时间、末段圆弧轨迹的每段圆弧的运行时间生成启动过程逆变器的开关控制信号，结合启动过程逆变器的开关控制信号进行逆变器的逆变控制；末段圆弧轨迹的最后以一段圆弧的运行时间结束后，控制器控制逆变器稳态输出。3.根据权利要求2所述的变圆心平均几何控制移相软启动方法，其特征在于：步骤1所述谐振频率为：其中，f
r
表示谐振频率，C
r
表示谐振电容的容值，L
r
表示谐振电感的电感量；步骤1所述开关频率为：f
s
＝f
r
其中，f
s
表示开关频率；
步骤1所述电压增益模型为：M＝nV
o
/V
in
其中，M表示电压增益，n表示变压器的变比，V
o
表示输出电容的直流电压，V
in
表示输入直流电压；步骤1所述计算启动过程第一个半周期内输出电容的电流平均值，具体如下：其中，h是第一个半周期内均匀分布的时刻点的数量，i
Cj
表示第一个半周期内第j个时刻点的输出电容电流瞬时值。4.根据权利要求3所述的变圆心平均几何控制移相软启动方法，其特征在于：步骤2所述计算等效电感为：T
s
＝1/f
s
其中，L
AM
表示等效电感，n表示变压器的变比，T
s
表示逆变器的开关周期，C表示输出电容的容值，I
CAM0
表示启动过程第一个半周期内输出电容的电流平均值，V
in
表示输入直流电压，arccos(*)表示反余弦计算，f
s
表示逆变器的开关频率；步骤2所述计算等效角频率为：其中，ω
AM
表示等效角频率，L
AM
表示等效电感，C表示输出电容的容值，n表示变压器的变比；步骤2所述计算基准电压，具体如下：V
base
＝V
in
/n；其中，V
base
表示基准电压，n表示变压器的变比，V
in
表示输入直流电压；步骤2所述计算基准阻抗，具体如下：其中，Z
base
表示基准阻抗，C表示输出电容的容值，L
AM
表示等效电感；步骤2所述计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊兰，宋佳，高迎飞，文荣梁，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：