一种谐振变换器的控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种谐振变换器的控制方法及系统，应用于宽电压应用场合。在高增益阶段，采用变频控制调节输出电压，开关频率低于串联谐振频率；在中增益阶段，采用升频移相混合控制调节输出电压，开关频率高于串联谐振频率，且原边开关管之间进行移相控制，或者，在中增益阶段，采用PWM控制调节输出电压，开关频率等于串联谐振频率；在低增益阶段，采用模式切换变频控制调节输出电压，谐振变换器处于半桥模式，通过控制开关频率调节输出电压；所述混合控制方法简单，有效缩小了频率调节范围，提升了谐振变换器的增益调节能力，在宽电压应用中有利于提高变换器的效率和功率密度。有利于提高变换器的效率和功率密度。有利于提高变换器的效率和功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种谐振变换器的控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及变换器
，特别涉及一种谐振变换器的控制方法及系统。

技术介绍

[0002]随着电力电子技术的发展和工业电源的应用需求，高效、高功率密度的功率电源产品成为电源研发的迫切需求。特别的，在宽电压应用场合中，亟需实现一种具有高效率、高功率密度、宽增益调节的功率变换器，以满足现有车载充电机、数据中心服务器电源、化成电源等应用需求。
[0003]在众多电路拓扑结构中，LLC谐振变换器因其软开关、磁性器件可磁集成、结构简单、低电磁干扰、高效率等优异特性而成为众多电源企业开发的首选拓扑。然而，一般的LLC拓扑采用变频控制调节输出电压，增益调节能力有限，难以满足宽电压应用需求。特别的，当开关频率低于串联谐振频率时，变压器原边侧存在较大的环流损耗，且开关频率越低，磁性器件的体积越大，降低了谐振变换器的效率和功率密度；当开关频率等于串联谐振频率时，LLC的电压增益为1，无法调节输出电压；当开关频率大于串联谐振频率时，变压器副边侧的整流二极管存在二极管反向恢复损耗。
[0004]为了提升LLC谐振变换器的增益调节能力，缩小传统变频控制的频率调节范围，一般采用混合控制调节输出电压。特别的，国内外专家学者提出了多种混合控制方法，其中西南交通大学的周国华、范先焱、许多等人在其发表的论文《具有宽范围输入和高效率的改进型LLC谐振变换器》中公开了一种具有Buck
‑
Boost工作模式的谐振变换器，该转换器拓宽了增益调节范围，且转换器以恒定频率工作。然而，该变换器涉及到原边控制与副边控制相结合的混合模式控制，增加了控制的复杂性。另外，南京航空航天大学的周玉斐、何新安、盛伦辉在专利文献《一种宽输入电压范围谐振型变换装置及其控制方法》中公开了一种原边变频+原边移相+副边占空比控制的多模式混合控制方法。同样的，该控制方法将原边控制与副边控制方案相结合，也增加了控制方案的复杂性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种谐振变换器的控制方法及系统，仅通过控制原边侧开关管的驱动脉冲调节输出电压，从而简化上述原边+副边控制的复杂性，有效的缩小频率调节范围，优化变压器的设计，提升增益调节能力，适用于宽电压应用场合，提升变换器的转化效率和功率密度。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0007]第一方面，提供一种谐振变换器的控制方法，所述谐振变换器包括直流输入源V
in
(Ⅰ)、原边逆变开关电路(Ⅱ)、原边谐振腔(Ⅲ)、变压器(Ⅳ)、副边整流电路(
Ⅴ
)和滤波输出电路(
Ⅵ
)；
[0008]原边逆变开关电路(Ⅱ)包括四个开关管，分别为原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)、原边第三开关管(S3)、原边第四开关管(S4)；
[0009]通过按增益调节能力划分为高增益阶段、中增益阶段和低增益阶段，分别对应三种控制模态：
[0010]在高增益阶段，采用降频控制模态，通过调节四个开关管的开关频率(f)来调节输出电压，且四个开关管的开关频率(f)均低于串联谐振频率(f
r
)，其中，原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，原边第三开关管(S3)、原边第四开关管(S4)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，原边第一关管(S1)的驱动脉冲与原边第四开关管(S4)驱动脉冲保持一致，原边第二关管(S2)的驱动脉冲与原边第四开关管(S3)驱动脉冲保持一致；
[0011]在中增益阶段，采用升频移相混合控制模态，通过根据闭环反馈控制得到开关频率(f)和移相角(θ)，并根据得到的开关频率(f)调节四个开关管的开关频率和根据得到的移相角(θ)对开关管进行移相，从而调节输出电压，且四个开关管的开关频率(f)始终高于串联谐振频率(f
r
)，开关频率调节范围为[f
r
～f
s2
]，移相角变化范围为[0
°
～180
°
]，其中，f
s2
表示最高开关频率，原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，原边第三开关管(S3)、原边第四开关管(S4)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，
[0012]或者，
[0013]在中增益阶段，采用PWM控制模态，通过调节同时调节原边第一开关管(S1)、第三开关管(S3)驱动脉冲的占空比调节输出电压，第一开关管(S1)和第三开关管(S3)驱动脉冲的占空比相等且可调最大占空比为50％(忽略死区时间)，且四个开关管的开关频率(f)始终等于串联谐振频率(f
r
)，原边第二开关管(S2)、原边第四开关管(S4)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，原边第一开关管(S1)驱动脉冲的上升沿与原边第四开关管(S4)驱动脉冲的上升沿保持一致，原边第三开关管(S3)驱动脉冲的上升沿与原边第二开关管(S2)驱动脉冲的上升沿保持一致；
[0014]在低增益阶段，采用模式切换变频控制模态，包含升频控制和降频控制，调节输出电压，此时全桥谐振变换器工作在半桥模式，通过调节原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)的开关频率调节输出电压，且原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)的频率调节过程包括低于串联谐振频率(f
r
)的降频调压过程和高于串联谐振频率(f
r
)的升频调压过程，其中，原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，原边第三开关管(S3)持续处于关断模式，驱动脉冲的占空比为0，原边第四开关管(S4)持续处于导通模式，驱动脉冲的占空比为1。
[0015]优选地，在高增益阶段中，最高电压增益对应着最小开关频率(f
s1
)；最低电压增益对应着最大开关频率，最大开关频率等于串联谐振频率(f
r
)。
[0016]优选地，通过根据闭环反馈控制得到开关频率(f)和移相角(θ)，并根据得到的开关频率(f)调节四个开关管的开关频率和根据得到的移相角(θ)对开关管进行移相，具体为：在不同工况、不同负载、不同增益下，通过闭环反馈控制得到最佳开关频率和最佳移相角，对开关管的驱动脉冲进行控制。
[0017]优选地，所述根据得到的开关频率(f)调节四个开关管的开关频率和根据得到的移相角(θ)对四个开关管进行移相，从而调节输出电压，具体包括：
[0018]提升原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)、原边第三开关管(S3)、原边第四
开关管(S4)的开关频率，且原边侧开关管的开关频率高于串联谐振谐振频率，最高开关频率为f
s2
；
[0019]原边第四关管(S4)的驱动脉冲与原边第三开本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐振变换器的控制方法，所述谐振变换器包括直流输入源V
in
(Ⅰ)、原边逆变开关电路(Ⅱ)、原边谐振腔(Ⅲ)、变压器(Ⅳ)、副边整流电路(
Ⅴ
)和滤波输出电路(
Ⅵ
)；原边逆变开关电路(Ⅱ)包括四个开关管，分别为原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)、原边第三开关管(S3)、原边第四开关管(S4)；其特征在于：通过按增益调节能力划分为高增益阶段、中增益阶段和低增益阶段，分别对应三种控制模态：在高增益阶段，采用降频控制模态，通过调节四个开关管的开关频率(f)来调节输出电压，且四个开关管的开关频率(f)均低于串联谐振频率(f
r
)，其中，原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，原边第三开关管(S3)、原边第四开关管(S4)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，原边第一关管(S1)的驱动脉冲与原边第四开关管(S4)驱动脉冲保持一致，原边第二关管(S2)的驱动脉冲与原边第三开关管(S3)驱动脉冲保持一致；在中增益阶段，采用升频移相混合控制模态，通过根据闭环反馈控制得到开关频率(f)和移相角(θ)，并根据得到的开关频率(f)调节四个开关管的开关频率和根据得到的移相角(θ)对开关管进行移相，从而调节输出电压，且四个开关管的开关频率(f)始终高于串联谐振频率(f
r
)，开关频率调节范围为[f
r
～f
s2
]，移相角变化范围为[0
°
～180
°
]，其中，f
s2
表示最高开关频率，原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，原边第三开关管(S3)、原边第四开关管(S4)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，或者，在中增益阶段，采用PWM控制模态，通过同时调节原边第一开关管(S1)、第三开关管(S3)驱动脉冲的占空比调节输出电压，第一开关管(S1)和第三开关管(S3)驱动脉冲的占空比相等且可调最大占空比为50％(忽略死区时间)，且四个开关管的开关频率(f)始终等于串联谐振频率(f
r
)，原边第二开关管(S2)、原边第四开关管(S4)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，原边第一开关管(S1)驱动脉冲的上升沿与原边第四开关管(S4)驱动脉冲的上升沿保持一致，原边第三开关管(S3)驱动脉冲的上升沿与原边第二开关管(S2)驱动脉冲的上升沿保持一致；在低增益阶段，采用模式切换变频控制模态，包含升频控制和降频控制，调节输出电压，此时全桥谐振变换器工作在半桥模式，通过调节原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)的开关频率调节输出电压，且原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)的频率调节过程包括低于串联谐振频率(f
r
)的降频调压过程和高于串联谐振频率(f
r
)的升频调压过程，其中，原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)驱动脉冲互补，且占空比均为50％(忽略死区时间)，原边第三开关管(S3)持续处于关断模式，驱动脉冲的占空比为0，原边第四开关管(S4)持续处于导通模式，驱动脉冲的占空比为1。2.根据权利要求1所述的一种谐振变换器的控制方法，其特征在于，在高增益阶段中，最高电压增益对应着最小开关频率(f
s1
)；最低电压增益对应着最大开关频率，最大开关频率等于串联谐振频率(f
r
)。3.根据权利要求1所述的一种谐振变换器的控制方法，其特征在于，通过根据闭环反馈
控制得到开关频率(f)和移相角(θ)，并根据得到的开关频率(f)调节四个开关管的开关频率和根据得到的移相角(θ)对开关管进行移相，具体为：在不同工况、不同负载、不同增益下，通过闭环反馈控制得到最佳开关频率和最佳移相角，对开关管的驱动脉冲进行控制。4.根据权利要求3所述的一种谐振变换器的控制方法，其特征在于，所述根据得到的开关频率(f)调节四个开关管的开关频率和根据得到的移相角(θ)对四个开关管进行移相，从而调节输出电压，具体包括：提升原边第一开关管(S1)、原边第二开关管(S2)、原边第三开关管(S3)、原边第四开关管(S4)的开关频率，且原边侧开关管的开关频率高于串联谐振谐振频率，最高开关频率为f
s2
；原边第四开关管(S4)的驱动脉冲与原边第三开关管(S3)驱动脉冲相对于原边第一开关管(S1)的驱动脉冲与原边第二开关管(S2)驱动脉冲进行移相。5.根据权利要求4所述的一种谐振变换器的控制方法，其特征在于，在中增益阶段的升频移相过程中，在具体控制时升频和移相分时分步进行或同时进行。6.根据权利要求1所述的一种谐振变换器的控制方法，其特征在于，在中增益阶段采用PWM控制模态的过程中，最高电压增益对应着第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的最大占空比，最低电压增益对应着第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的可调最小占空比。7.根据权利要求1所述的一种谐振变换器的控制方法，其特征在于，在低增益阶段中，最高增益对应着最小开关频率，最低增益对应着最大开关频率，且该阶段的最低开关频率与高增益阶段的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘松林，李永昌，吴辉，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：