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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明公开的一种具备平滑切换功能的变拓扑谐振变换器控制方法，属于电力电子领域。本发明在建立含寄生参数的半桥全桥LLC谐振变换器模型、LLC谐振变换器的状态轨迹模型基础上，实现LLC谐振变换器精准建模，提高最优轨迹控制精度。本发明通过分析谐振电流和谐振电容电压状态轨迹，并分析输入电压对圆弧段轨迹的圆心位置的影响，建立周期时间、占空比对谐振电流和谐振电容电压控制调节关系，准确引导谐振电流‑谐振电容电压状态轨迹到目标稳态工作点，进入稳定的线性控制状态；本发明在拓扑变换的过渡过程中改变LLC谐振变换器电压增益，减少拓扑变换引起的谐振电流过冲和输出电压波动，对拓扑变换的过渡中输出电压的波动进行精准抑制。

主权项：1.一种具备平滑切换功能的变拓扑谐振变换器控制方法，所述变拓扑谐振变换器是指半桥全桥LLC谐振变换器；所述的变换器主要由主电路和控制电路组成，其主电路拓扑与全桥LLC变换器一致；所述主电路拓扑包括原边逆变电路、变压器和副边整流电路；原边逆变电路由全桥电路构成，在输入电压较低时工作在全桥状态，在输入电压较高时令S3关断，S4导通来工作在半桥状态；在拓扑变换过渡过程中采用最优轨迹控制限制谐振电流过冲和输出电压波动；所述的控制电路还包括数字控制电路、采样电路和驱动电路；采样电路用于采样输入电压Vin和输出电流Io和电压Vo；其特征在于：包括如下步骤，步骤一，对电路各个器件的参数和寄生参数进行测量，寄生电感使用数字电桥得到，变压器匝间电容由电磁仿真得到，半导体器件的寄生电容由数据手册得到，在仿真软件中搭建含寄生参数的半桥全桥LLC谐振变换器模型，在各个负载下对输入电压扫描，得到开关频率-增益-输出电流fs-G-Io的三维曲面以及轨迹圆半径-增益-输出电流ρ-G-Io的三维曲面，其中G＝VoVin；并以LLC谐振变换器的谐振电容电压和谐振电感电流作为状态变量，建立LLC谐振变换器的状态轨迹模型；全桥LLC谐振变换器的精确模型的原件包括原边开关管Q1-Q4、谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器励磁电感Lm、匝比为n:1的变压器、变压器原边漏电感Lkp、变压器副边漏电感Lks、变压器等效匝间电容CTR，整流二极管D1-D4，整流二极管寄生电容Cjc；通过仿真软件在各个负载下对输入电压扫描，得到开关频率-增益-输出电流fs-G-Io的三维曲面以及轨迹圆半径-增益-输出电流ρ-G-Io的三维曲面，其中G＝VoVin；对其所有的电压变量按照LLC谐振变换器的输出电压Vo进行标幺化，对其所有的电流变量按照VoZ0进行标幺化，其中Z0为两元件特征阻抗： 状态变量的谐振电感电流iLr和谐振电容电压vCr标幺化后的值为iLrN与vCrN，建立LLC谐振变换器的相平面模型；变换器工作在低于谐振频率的升压状态，在半桥模式下，其状态轨迹分四段，其中两段是23所示的圆弧： 其余两段是激磁电流给谐振电容线性充电形成的水平直线，其激磁电流值为： 在全桥模式下，其状态轨迹分四段，其中一段圆弧表达式与2相同、另一段圆弧如5所示： 其余两段是激磁电流给谐振电容线性充电形成的水平直线，激磁电流同4；步骤二，在LLC谐振变换器开机启动后，检测LLC谐振变换器的输入电压和负载电流，并判断LLC谐振变换器电压增益变化情况；步骤三，如果步骤二检测的LLC谐振变换器电压增益，没有出现跨区跳变，则LLC谐振变换器进入线性控制模式；步骤四，如果步骤二检测的LLC谐振变换器电压增益，出现全桥向半桥的跨区跳变，则LLC谐振变换器根据负载电流和输入电压取得跳变前状态的轨迹半径和跳变后状态的轨迹半径及开关频率，并计算所述跨区跳变情况下对应最优状态轨迹模式一的控制变量，所述模式一控制变量包括控制脉冲周期时间长度和占空比；根据模式一控制变量调节控制脉冲周期时间长度和占空比，准确引导谐振电流-谐振电容电压状态轨迹到目标稳态工作点，进而在拓扑变换的过渡过程中改变LLC谐振变换器电压增益，减少拓扑变换引起的谐振电流过冲和输出电压波动，对拓扑变换的过渡中输出电压的波动进行抑制；从全桥向半桥的过渡有t0-t4五个时间节点，跳变前输入电压为Vin1，跳变后为Vin2；其中t0-t1的时间根据公式6获取：t1-t0＝Tr26根据几何关系，得t0谐振电压： 其中ρ1由三维平面查找；进而得过渡态的状态圆半径： 从而t1，t2时刻的谐振电压： 其中ρ2由三维平面查找；根据激磁电流对谐振电容线性充电得t1-t2时间：t2-t1＝CrvCrNt2-vCrNt1nVoILm11联立以上各式67891011得过渡周期的正脉冲时间总长，即脉冲周期时间长度乘占空比： 根据三维平面查找的跳变后开关频率fVin2，得过渡周期时间总长及占空比：Ttran＝ttotal+0.5fVin213Dtran＝ttotalttotal+0.5fVin214在全桥到半桥的过渡中，根据公式13调节控制脉冲周期时间长度，根据公式14调节控制脉冲占空比，即根据模式一控制变量调节控制脉冲周期时间长度和占空比，给出LLC谐振变换器开关管的驱动信号，使t0-t1的t0时电压突增，超过了全桥能提供增益的下限，线性控制结束，将控制权交给最优轨迹控制；谐振槽上所加电压突增，其状态圆半径增大；在t1点轨迹自然进入谐振电容线性充电阶段，表现为一条水平直线；在t2时刻正脉冲结束，轨迹进入后半周期的圆轨迹，在t3进入线性充电阶段，在t4时最优轨迹控制结束，将控制权交给线性控制，初始开关频率由二维表格查找，进入稳定的线性控制状态，即通过在拓扑变换的过渡过程中改变LLC谐振变换器电压增益，减少拓扑变换引起的谐振电流过冲和输出电压波动，对拓扑变换的过渡中输出电压的波动进行抑制；步骤五，如果步骤二检测的LLC谐振变换器电压增益，出现半桥向全桥的跨区跳变，则LLC谐振变换器根据负载电流和输入电压取得跳变前状态的轨迹半径和跳变后状态的轨迹半径及开关频率，并计算所述跨区跳变情况下对应最优状态轨迹模式二的控制变量，所述模式二控制变量包括控制脉冲周期时间长度和占空比；根据模式二控制变量调节控制脉冲周期时间长度和占空比，准确引导谐振电流-谐振电容电压状态轨迹到目标稳态工作点，进而在拓扑变换的过渡过程中改变LLC谐振变换器电压增益，减少拓扑变换引起的谐振电流过冲和输出电压波动，对拓扑变换的过渡中输出电压的波动进行抑制；从半桥向全桥的过渡有t0-t4五个时间节点，跳变前输入电压为Vin1，跳变后为Vin2；其中t0-t1的时间根据公式15获取：t1-t0＝Tr215根据几何关系，得t0谐振电压： 其中ρ1由三维平面查找；进而得过渡态的状态圆半径： 从而t1，t2时刻的谐振电压： 其中ρ2由三维平面查找；根据激磁电流对谐振电容线性充电得t1-t2时间：t2-t1＝CrvCrNt2-vCrNt1nVoILm20联立以上各式151617181920得过渡周期的正脉冲时间总长，即脉冲周期时间长度乘占空比： 根据三维平面查找的跳变后开关频率fVin2，得过渡周期时间总长及占空比：Ttran＝ttotal+0.5fVin222Dtran＝ttotalttotal+0.5fVin223在半桥到全桥的过渡中，根据公式22调节控制脉冲周期时间长度，根据公式23调节控制脉冲占空比，即根据模式一控制变量调节控制脉冲周期时间长度和占空比，给出LLC谐振变换器开关管的驱动信号，使t0-t1的t0时电压突增，超过了半桥能提供增益的上限，线性控制结束，将控制权交给最优轨迹控制；谐振槽上所加电压突降，其状态圆半径减小；在t1点轨迹自然进入谐振电容线性充电阶段，表现为一条水平直线；在t2时刻正脉冲结束，轨迹进入后半周期的圆轨迹，在t3进入线性充电阶段，在t4时最优轨迹控制结束，将控制权交给线性控制，初始开关频率由二维表格查找，进入稳定的线性控制状态，即通过在拓扑变换的过渡过程中改变LLC谐振变换器电压增益，减少拓扑变换引起的谐振电流过冲和输出电压波动，对拓扑变换的过渡中输出电压的波动进行抑制；步骤六，若收到关机指令或保护指令，LLC谐振变换器关机或封波并进入保护状态，若否返回步骤二至步骤六，进入新一轮控制循环，当电压增益未跨越当前模式提供的增益极限，按照步骤三进行线性控制，当电压增益跨越当前模式提供的增益极限，按照步骤四、五进行最优轨迹控制，在拓扑变换的过渡过程中改变LLC谐振变换器电压增益，减少拓扑变换引起的谐振电流过冲和输出电压波动，对拓扑变换的过渡中输出电压的波动进行抑制。

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百度查询： 北京理工大学 一种具备平滑切换功能的变拓扑谐振变换器控制方法