CN105515365A - 一种llc变换器数字软启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种LLC变换器数字软启动方法，依序包括三个步骤：第一步，设定初始软启动的谐振电感电流上限和下限值，将启动时的浪涌电流限定在电路稳定工作的范围之内；第二步，当母线电压V_in为稳定值时，再加驱动脉冲，满足关系I_rh＜I_rl；当先施加脉冲驱动，母线电压由零开始上升，则满足I_rh＞I_rl关系；第三步，根据电路的设计参数，通过解微分方程，准确地计算出各个开关管的开关时间。采用本方法可将启动时的谐振电感的浪涌电流限制在电路稳定工作的范围之内，大幅减小启动时的谐振电感的浪涌电流。

Description

一种LLC变换器数字软启动方法

技术领域

本发明涉及电力电子与电力传动技术领域，具体地说，涉及一种运用在DC/DC(直流/直流)变换中的LLC变换器数字软启动方法。

背景技术

众所周知，电能变换，特别是DC/DC(直流/直流)变换技术广泛应用在多种电子设备中，如PC机、蜂房式电话机等。这是由于构成这些设备的各个子电路分别需要在不同的电压电平下保持正常运行，DC/DC(直流/直流)变换器即用于实现从直流电源转换成所需的各不同电压电平。

作为实现DC/DC变换的常用线性调节器常会消散过多的热量。当今，LLC(电感-电容-电感)变换器以其具有高效率，平滑波形和高功率密度等优点，已经受到日益广泛的应用。但是，LLC转换器在以谐振模式运行期间，其中作为功率开关所采用的MOSFET器件的启动时间，以及在其中电容器充放电过程中往往会产生过大的瞬时电流或浪涌电流。

参照题为《通过操作模式切换进行的LLC软启动》的中国专利申请201080065116.3，其中公开了一种减少LLC转换器中的浪涌电流的方法。如图6所示，按照该方法，在LLC转换器(100)启动期间将具有固定周期及可变工作循环的第一PWM信号和第二PWM信号分别加于第一开关(SW1)和第二开关(SW2)，并当经配置以耦合到整流电路(106)的负载上的电压等于或高于第一预定电压时，将具有固定周期及可变工作循环的第一谐振模式信号加于所述第一开关(SW1)，以及并当连接到所述转换器的负载上的电压等于或高于第一预定电压时，将具有固定周期及可变工作循环的第二谐振模式信号加于所述第二开关(SW2)。

对于上述发明而言，究其实质在于，其中半桥LLC软启动采用PWM(脉冲宽度调制)，通过从零不断增加驱动脉冲的占空比来实现软启动的方法。当脉冲驱动占空比较小时，半桥臂各个开关管为硬开关。然而，采用该种软启动方法并不能有效地将浪涌电流限制在一定范围之内。对照该文，其中附图示出相应的LLC谐振变换器主电路，本领域技术人员可以理解，其中启动时谐振电感和谐振电容的初始值造成启动浪涌电流。

发明内容

本发明目的在于克服上述相关现有技术的不足，提供一种LLC变换器数字软启动方法，将启动时的谐振电感的浪涌电流限制在电路稳定工作的范围之内。

本发明是以如下方案实现的，一种LLC变换器数字软启动方法，依序包括三个步骤：

第一步，设定初始软启动的谐振电感电流上限和下限值，将启动时的浪涌电流限定在电路稳定工作的范围之内；

第二步，当母线电压V_in为稳定值时，再加驱动脉冲，满足关系I_rh＜I_rl；当先施加脉冲驱动，母线电压由零开始上升，则满足I_rh＞I_rl关系；

第三步，根据电路的设计参数，通过解微分方程，准确地计算出各个开关管的开关时间。

上述第二和第三步防止了由于频率变换太快，防止软启动中后面继续出现谐振电感电流超出允许范围的情况。

整个过程采用数字查表控制的方法来进行。

与传统的从大于等于二倍谐振频率不断减小频率的软启动方法和斩波或移相软启动方法相比，本发明能够准确的将LLC谐振变换器的启动电流限制在电路稳定工作时谐振电流的范围之内。大幅地减小启动时的谐振电感的浪涌电流。同时，在软启动的第二和第三步，实现了主开关管的零电压开关。并且，整个过程采用数字查表变频控制的方法，实现了控制的数字化。

附图说明

为进一步说明本发明，以下将结合附图并通过具体实施例，详细描述上述单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法，其中，

图1示出实现本发明LLC变换器数字软启动方法的相应半桥LLC谐振变换器主电路；

图2示出本发明LLC变换器数字软启动方法的三个步骤；

图3示出本发明软启动数字控制硬件框图；

图4示出本发明软启动控制***程序流程图；

图5示出本发明方法中使用的数字查表控制流程图；

图6示出相关技术中的一种减少LLC转换器中的浪涌电流的方法的电路图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明一种具体实施例的LLC变换器数字软启动方法依序包括三个步骤。

首先，设定设定初始软启动的谐振电感电流上限I_rh(图2中①所示)和下限-I_rl(图2中②所示)。对于不同的软启动初始状态，谐振电感电流的上限和下限值有所不同。当母线电压V_in为稳定值时，再加驱动脉冲，需要I_rh＜I_rl；当先施加脉冲驱动，母线电压由零开始上升，就需要满足I_rh＞I_rl关系。

再根据电路的设计参数，通过解微分方程，按如下公式准确地计算出各个开关管的开关时间，即

图1中上管Q₁开通时间满足计算公式(1)：

$u_{cr}=(Ucr-Vin)cos\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)+I_{Lr}\sqrt{\frac{Lr}{Cr}}sin\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)+Vin$

$i_{Lr}=I_{Lr}cos\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)-(Ucr-Vin)\sqrt{\frac{Cr}{Lr}}sin\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)$

图1中下管Q₂开通时间满足计算公式(2)：

$u_{cr}=Ucrcos\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)+I_{Lr}\sqrt{\frac{Lr}{Cr}}sin\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)$

$i_{Lr}=I_{Lr}cos\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)-Ucr\sqrt{\frac{Cr}{Lr}}\sin \left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)$

式中，U_cr、I_Lr分别为上管开通或者下管开通开始状态的初始值，V_in为整流之后母线电压，C_r、L_r分别为谐振电容和谐振电感值。

图1示出实现本发明LLC变换器数字软启动方法的整个LLC谐振变换器主电路。通过上述的公式计算1-3个周期，直至调整谐振电感电流的上限和下限值一样大的时候，谐振电容电压的初始值应该为1/2V_in。此时对应的上管和下管开关时间是相同的，开关频率记为f₁。

然后，保持f₁大小的开关频率不变，直至输出电压在此开关频率能够到达的稳定值V_o1。

最后，在固定时间内从f₁开关频率不断减小，直至输出电压的设计想要的输出电压V_o。整个开关过程是通过数字芯片来控制，使用定时器或者PWM中断来改变EPWM(增强型脉冲宽度调制模块)相关寄存器的值，产生相应的脉冲驱动，来准确控制开关管的关断。其软启动数字控制硬件框图如图3所示，软件程序流程图如图4所示。

上述过程是采用如下的数字查表控制的方法来进行的。具体地说，通过定义一个数组，将开关管开关周期时间存储在数组元素中，比如shijian[n]＝{a₁,a₂,a₃……，a_n}(其中n为数组中元素个数为固定值，数组中元素a₁，a₂，a₃…,a_n是通过公式(1)和(2)计算得出；shijian[i]表示数组中第i+1个元素其中i为变量)，数组中的元素为定时器定时或者PWM中断参数变量，设当前i为0，定时器定时或者PWM中断参数就为a₁，定时器或者PWM在a₁个单位时间发生中断，进入中断程序，控制开关管的开通和关断的时间，并且设置i为1，定时器定时或者PWM中断参数就为a₂，定时器或者PWM在a₂个单位时间发生中断，进入中断程序，改变开关管的状态，并且改变取数组中元素的位置值即i值，后续过程也是这样的循环方式，当i>n-1时，则结束启动过程。上述工作过程流程图见附图5。

本领域技术人员可以理解，本发明的上述方法直接针对现有技术中LLC谐振变换器启动时，谐振电感的浪涌电流是稳定工作时的两倍以上的缺点，对变换器的主开关管(MOSFET即电力金属氧化物半导体晶体管，以下所指主开关管都为此类型)带来很大的电压和电流应力。对整个软启动过程进行优化设计，通过严密的计算，使用数字查表变频控制的方法，严格的将启动时的谐振电感的浪涌电流限制在电路稳定工作的范围之内。同时，启动过程可以实现主开关管的ZVS(零电压开关)。

同样可以理解，上述本发明的方法对软启动过程进行优化设计，根据电路的设计参数，设定谐振网络电流的上限和下限，通过微分方程精确计算各个开关管开关的时间，然后使用数字控制查表的方法，严格控制整个软启动过程。

通过本发明的软启动方法，可以实现启动时的谐振网络的电流和正常稳定工作时谐振网络的电流一样大小。减小启动过程中开关管的浪涌电流和电压应力。

Claims (3)

1.一种LLC变换器数字软启动方法，依序包括三个步骤：

第一步，设定初始软启动的谐振电感电流上限和下限值，将启动时的浪涌电流限定在电路稳定工作的范围之内；

第二步，当母线电压V_in为稳定值时，再加驱动脉冲，满足关系I_rh＜I_rl；当先施加脉冲驱动，母线电压由零开始上升，则满足I_rh＞I_rl关系；

第三步，根据电路的设计参数，通过解微分方程，准确地计算出各个开关管的开关时间。

2.如权利要求1所述的LLC变换器数字软启动方法，其中：所述计算各开关管开关时间的公式为：

上管Q₁开通时间满足计算公式：

$u_{cr}=(Ucr-Vin)cos\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)+I_{Lr}\sqrt{\frac{Lr}{Cr}}sin\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)+Vin$

$i_{Lr}=I_{Lr}cos\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)-(Ucr-Vin)\sqrt{\frac{Cr}{Lr}}sin\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)$

下管Q₂开通时间满足计算公式：

$u_{cr}=Ucrcos\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)+I_{Lr}\sqrt{\frac{Lr}{Cr}}sin\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)$

$i_{Lr}=I_{Lr}cos\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)-Ucr\sqrt{\frac{Cr}{Lr}}sin\left(\frac{1}{\sqrt{LrCr}}t\right)$

式中，U_cr、I_Lr分别为上管开通或者下管开通开始状态的初始值，V_in为整流之后母线电压，C_r、L_r分别为谐振电容和谐振电感值。

3.如权利要求1或2所述的LLC变换器数字软启动方法，其中：所述过程采用数字查表控制的方法来进行。