CN111953196A - 一种双向半桥三电平clllc谐振变换器及软启动控制方法 - Google Patents

一种双向半桥三电平clllc谐振变换器及软启动控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器及软启动控制方法，包括：先解锁一次侧半桥三电平的驱动信号，闭锁二次侧半桥三电平的驱动信号；一次侧半桥三电平采用定频变占空比控制，向一次侧半桥的第一开关管和第四开关管输出占空比相同，但相差50％占空比的控制信号，向一次侧的第二开关管和第三开关管输出占空比相同比第一占空比多出增量占空比，但相差50％占空比的控制信号；每个开关周期增加为控制信号增加预定步长。本申请的启动方法能够在变换器启动的过程中抑制电流的过冲，保证电流的平衡以及平稳变化，降低了对开关管的耐流要求，避免启动过程中变压器的偏磁问题，降低变压器容量的要求，从而减小变换器的体积，提高了变换器的功率密度。

Description

一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器及软启动控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器及软启动控制方法。
背景技术
随着电力电子器件的发展，双向DC-DC变换器因其体积小，重量轻，无污染，功率因数高等优点广泛应用于分布式发电、电动汽车、轨道交通等领域。
双主动全桥(DAB)变换器是目前应用最为广泛的DC-DC变换器。但是DAB变换器在实际应用过程中存在不少问题，原边H桥超前桥臂和滞后桥臂开关管实现ZVS软开关的条件是不同的，滞后桥臂上的开关管在运行过程中容易造成占空比丢失，软开关失效，这是移相全桥DC-DC变换器的固有特性。负载较轻时，变换器ZVS范围减小，难以实现全范围软开关。
近年来，软开关谐振型DC-DC变换器得到了越来越多的关注。谐振变换器具有自然软开关特性，可在较宽的输入电压和全负载范围内实现软开关，不需要借助任何辅助网络且控制简单。但是CLLLC谐振变换器正常启动时，默认一次侧NPC电容已经充上电，初始输出电压为零。如果直接使用PFM控制下的驱动信号去驱动一次侧开关管，，桥臂输出电压VAB此时将瞬间全部加在CLLLC谐振网络上，会对二次侧NPC电容进行充电。此过程将产生较大的冲击电流，不仅可能击穿开关管，还会因过压而损毁谐振电容和NPC电容。
传统LLC谐振变换器通常采用提高开关频率fs降低增益M的方式来启动。但是这种高频软启动策略在应用中有很大的局限性，当工作频率fs达到一定值时，通过增大工作频率fs并不能有效降低变换器增益M，同时开关管的自身特性及外部驱动性能也会限制住开关频率。
综上，现有技术中的高频启动并不能获得理想的启动效果，难以抑制电流的过冲，无法保证电流的平衡以及平稳变化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法，能够在变换器启动的过程中抑制电流的过冲，保证电流的平衡以及平稳变化，降低了对开关管的耐流要求。其具体方案如下：
一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法，包括：双向半桥三电平CLLLC谐振变换器启动时先解锁一次侧半桥三电平的驱动信号，闭锁二次侧半桥三电平的驱动信号；一次侧半桥三电平采用定频变占空比控制，启动时刻，向一次侧半桥的一次侧第一开关管和一次侧第四开关管输出占空比均为第一占空比，但相差50％占空比的第一控制信号和第四控制信号，向一次侧第二开关管和一次侧第三开关管输出占空比为所述第一占空比与增量占空比之和，但相差50％占空比的第二控制信号和第三控制信号；
每个开关周期增加为所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号和所述第四控制信号增加预设的预定步长；
其中，所述预定步长大于0小于1；所述第一占空比与所述增量占空比之和大于0小于0.5。
可选的，在二次侧端口电压以恒定斜率上升期间，
Figure BDA0002631660690000021
tD_change＝X×T；
Figure BDA0002631660690000022
式中，tD_change为占空比持续改变时间，Vin为输入电压，D1为所述第一占空比在第一周期的初始占空比，Dmax为所述第一占空比的最大设置占空比，Cp21为二次侧第一NPC电容，X为当前周期数，VAB1为二次侧端口电压在第一周期的初始值，VABX为二次侧端口电压的最大值，T为开关周期。
可选的，启动初始时刻，所述双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的高频变压器的原边电压为输入电压的1/2，输出电压为零。
本发明还公开了一种控制器，用于输出如前述的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，包括：压控振荡器模块、限幅模块、调制模块、移相模块、信号混合模块；
所述压控振荡器模块，用于输出带有谐振频率的正弦波；
所述限幅模块，用于降低占空比变化速率以及限制所述正弦波的输出幅值；
所述调制模块，用于将限幅模块输出的信号与所述压控振荡器输出的所述正弦波信号作比较，得到原始第一控制信号和原始第四控制信号；
所述移相模块，用于将输入的所述原始第一控制信号和所述原始第四控制信号分别移相后产生所述第二控制信号和所述第三控制信号；
所述信号混合模块，用于混合所述原始第一控制信号和所述第二控制信号，得到所述第一控制信号，混合所述原始第四控制信号和所述第三控制信号，得到所述第四控制信号。
可选的，所述调制模块，包括：
第一调制单元，用于将限幅模块输出的信号与所述压控振荡器输出的所述正弦波信号作比较，得到所述原始第一控制信号；
第二调制单元，用于将限幅模块输出的信号与所述压控振荡器输出的所述正弦波信号作比较，得到所述原始第四控制信号。
可选的，所述移相模块，包括：
第一移向单元，用于对输入的所述原始第一控制信号进行移相得到所述第二控制信号；
第二移向单元，用于对输入的所述原始第四控制信号进行移相得到所述第三控制信号。
本发明还公开了一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器，使用如前述的双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法，包括依次相连的一次侧半桥三电平电路、一次侧谐振电路、高频变压器、二次侧谐振电路和二次侧三电平电路。
本发明中，双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法，包括：双向半桥三电平CLLLC谐振变换器启动时先解锁一次侧半桥三电平的驱动信号，闭锁二次侧半桥三电平的驱动信号；一次侧半桥三电平采用定频变占空比控制，启动时刻，向一次侧半桥的一次侧第一开关管和一次侧第四开关管输出占空比均为第一占空比，但相差50％占空比的第一控制信号和第四控制信号，向一次侧第二开关管和一次侧第三开关管输出占空比为所述第一占空比与增量占空比之和，但相差50％占空比的第二控制信号和第三控制信号；每个开关周期增加为所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号和所述第四控制信号增加预设的预定步长；其中，所述预定步长大于0小于1；所述第一占空比与所述增量占空比之和大于0小于0.5。
本发明的启动方法能够在变换器启动的过程中抑制电流的过冲，保证电流的平衡以及平稳变化，降低了对开关管的耐流要求，同时可以进一步避免启动过程中变压器的偏磁问题，降低了对变压器容量的要求，从而减小变换器的体积，提高了变换器的功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例公开的一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器电路拓扑示意图；
图3为本发明实施例公开的一种占空比持续改变时间与输出电压对应关系示意图；
图4为本发明实施例公开的一种控制信号生成示意图；
图5为本发明实施例公开的一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器直接启动时的仿真波形图；
图6为本发明实施例公开的一种谐振电流放大的仿真波形图；
图7为本发明实施例公开的一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器采用定频变占空比软启动的仿真波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法，参见图1和图2所示，该方法包括：
双向半桥三电平CLLLC谐振变换器启动时，先解锁一次侧半桥三电平的驱动信号，闭锁二次侧半桥三电平的驱动信号；一次侧半桥三电平采用定频变占空比控制，启动时刻，向一次侧半桥的一次侧第一开关管S11和一次侧第四开关管S14输出占空比均为第一占空比D1，但相差50％占空比的第一控制信号和第四控制信号，向一次侧第二开关管S12和一次侧第三开关管S13输出占空比为第一占空比D1与增量占空比Dint之和，但相差50％占空比的第二控制信号和第三控制信号；
每个开关周期增加为第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号增加预设的预定步长ΔD；
其中，预定步长ΔD大于0小于1；第一占空比与增量占空比之和大于0小于0.5。
具体的，谐振变换器的励磁电感Lm一般较小，在考虑冲击电流时可忽略，可以仅考虑二次侧NPC电容对冲击电流的影响。由电容充电的电压电流公式可将冲击电流irush表示为：
电压电流公式：
Figure BDA0002631660690000051
具体的，由电压电流公式可知，d(Vo/2)/dt为常值时，冲击电流irush降到最小。二次侧NPC电容(Cp21、Cp22)两端电压Vo/2等斜率上升可以等效为CD端电压有效值|VCD|等斜率上升。将其换算到高频变压器TR一次侧，即可通过使AB端电压有效值|VAB|等斜率上升，从而使二次侧NPC电容(Cp11、Cp12)两端的电压Vo/2以一定斜率上升。
其中，启动初始时刻，双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的高频变压器的原边电压为输入电压Vin的1/2，输出电压Vo为零。
具体的，为了简化分析，暂且忽略储能元件对输出电压Vo的影响，得到电压与启动后开关周期的函数：
Figure BDA0002631660690000061
式中，Vin为输入电压。
在第一个周期：
Figure BDA0002631660690000062
在第X个周期：
Figure BDA0002631660690000063
|VAB|以恒定斜率上升，则有：
Figure BDA0002631660690000064
tD_change＝X×T (6)；
式中，tD_change为占空比持续改变时间，D1为第一占空比在第一周期的初始占空比，Dmax为第一占空比的最大设置占空比，Cp21为二次侧第一NPC电容，X为当前周期数，VAB1为二次侧端口电压在第一周期的初始值，VABX为二次侧端口电压的最大值，T为开关周期。
根据上述公式(5)和(6)可有：
Figure BDA0002631660690000065
式中：C/Vin为常数。
其中，预定步长ΔD根据双向半桥三电平CLLLC谐振变换器中电路参数和开关频率进行设定。
由上式(7)可知，参见图3所示，在忽略储能元件的情况下，第一占空比从D1开始以一定的斜率递增，就可以使得NPC电容电压以固定斜率Δt上升。但是实际电路中，存在谐振电感和谐振电容，电压并不会呈一次函数上升，根据以上推导，可以合理调整占空比改变周期X使输出电压Vo缓慢上升，保证电压变化斜率一直保持在一个可接受范围内，从而实现软启动。
具体的，参见图4所示，控制器，包括压控振荡器模块11、限幅模块12、调制模块13、移相模块14、信号混合模块15；其中，压控振荡器模块11：输出一个带有谐振频率的正弦波；限幅模块12：主要降低占空比变化速率以及限制正弦波输出幅值；调制模块13：将限幅模块12输出的信号与压控振荡器输出的正弦波信号作比较，得到原始第一控制信号D1_12和原始第四控制信号D1_13；移相模块14：将输入的原始第一控制信号D1_12和原始第四控制信号D1_13分别移相后产生第二控制信号D2和第三控制信号D3。
具体的，整个控制器的工作流程如下：将占空比生成时间从TD_min_soft以斜率1/tD_change_soft缓慢变化到TD_max_soft，并通过第一调制单元和第二调制单元生成2个相差180°的从D1增大到Dmax的2个信号(D1和D4)，最后调节死区时间tdead3并通过移相模块14产生软启动策略相对应的4个驱动信号Soft_PWM(D1、D2、D3和D4)。
进一步的，本发明实施例提供了一次具体的实施例，给定双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的一组基本参数如表1双向半桥三电平CLLLC谐振变换器基本参数表所示。
表1
输入电压V<sub>in</sub> 400V 一次侧谐振电感L<sub>1</sub> 1296.3uH
输出电压V<sub>o</sub> 110V 一次侧励磁电感L<sub>m</sub> 162uH
开关频率fs 100kHz 一次侧谐振电容C<sub>1</sub> 15.64nF
变压器变比n 40/11 二次侧谐振电感L<sub>2</sub> 12.25uH
一次侧NPC电容C<sub>p11</sub>\C<sub>p12</sub> 470uF 二次侧谐振电感C<sub>2</sub> 0.207uF
二次侧NPC电容C<sub>p21</sub>\C<sub>p22</sub> 220uF
图5是双向半桥三电平CLLLC谐振变换器直接启动时的仿真波形图，可以看出，***启动用了0.00045s(45个谐振周期)，一次侧谐振电流ir最大值高达150A，二次侧谐振电流is超过500A，过大的冲击电流极易导致元件过应力损坏等故障。
根据图6和图7，可以看出，***启动用了0.075s(7500个谐振周期)，一次侧谐振电流ir峰值约等于3A，二次侧谐振电流is峰值约等于7.5A，均控制在正常范围之内，输出电压Vo建立比较平稳，启动效果理想。
可见，本发明实施例的启动方法能够在变换器启动的过程中抑制电流的过冲，保证电流的平衡以及平稳变化，降低了对开关管的耐流要求，同时可以进一步避免启动过程中变压器的偏磁问题，降低了对变压器容量的要求，从而减小变换器的体积，提高了变换器的功率密度。
相应的，本发明实施例还公开了一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器，参见图2所示，使用如前述的双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法，包括依次相连的一次侧半桥三电平电路1、一次侧谐振电路2、高频变压器TR、二次侧谐振电路3和二次侧三电平电路4。
具体的，一次侧半桥三电平电路1包括输入电源Vin、一次侧第一NPC电容Cp11、一次侧第二NPC电容Cp12、一次侧第一开关管S11、一次侧第二开关管S12、一次侧第三开关管S13、一次侧第四开关管S14、一次侧第一二极管D11和一次侧第二二极管D12。
具体的，二次侧半桥三电平电路包括输入电源Vin、二次侧第一NPC电容Cp21、二次侧第二NPC电容Cp22、二次侧第一开关管S21、二次侧第二开关管S22、二次侧第三开关管S23、二次侧第四开关管S24、二次侧第一二极管D21和二次侧第二二极管D22。
具体的，一次侧谐振电路2包括第一谐振电感L1和第一谐振电容C1；二次侧谐振电路3包括第二谐振电感L2和第二谐振电容C2。
具体的，一次侧半桥三电平电路1、一次侧谐振电路2、二次侧谐振电路3和二次侧三电平电路4的具体电路连接结构可参见图2所示，在此不做赘述。
此外，本发明实施例还公开的一种控制器，参见图4所示，用于输出如前述的第一控制信号D1、第二控制信号D2、第三控制信号D3和第四控制信号D4，包括：压控振荡器模块11、限幅模块12、调制模块13、移相模块14、信号混合模块15；
压控振荡器模块11，用于输出带有谐振频率的正弦波；
限幅模块12，用于降低占空比变化速率以及限制正弦波的输出幅值；
调制模块13，用于将限幅模块12输出的信号与压控振荡器输出的正弦波信号作比较，得到原始第一控制信号和原始第四控制信号；
移相模块14，用于将输入的原始第一控制信号和原始第四控制信号分别移相后产生第二控制信号和第三控制信号；
信号混合模块15，用于混合原始第一控制信号和第二控制信号，得到第一控制信号，混合原始第四控制信号和第三控制信号，得到第四控制信号。
具体的，调制模块13，可以包括第一调制单元131和第二调制单元132；其中，
第一调制单元131，用于将限幅模块12输出的信号与压控振荡器输出的正弦波信号作比较，得到原始第一控制信号；
第二调制单元132，用于将限幅模块12输出的信号与压控振荡器输出的正弦波信号作比较，得到原始第四控制信号。
具体的，移相模块14，可以具体包括第一移向单元141和第二移向单元142；
第一移向单元141，用于对输入的原始第一控制信号进行移相得到第二控制信号；
第二移向单元142，用于对输入的原始第四控制信号进行移相得到第三控制信号。
具体的，信号混合模块15可以包括第一信号混合单元151和第二信号混合单元152；其中，
第一信号混合单元151，用于混合原始第一控制信号和第二控制信号，得到第一控制信号；
第二信号混合单元152，用于混合原始第四控制信号和第三控制信号，得到第四控制信号。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上对本发明所提供的技术内容进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法，其特征在于，包括：双向半桥三电平CLLLC谐振变换器启动时先解锁一次侧半桥三电平的驱动信号，闭锁二次侧半桥三电平的驱动信号；一次侧半桥三电平采用定频变占空比控制，启动时刻，向一次侧半桥的一次侧第一开关管和一次侧第四开关管输出占空比均为第一占空比，但相差50％占空比的第一控制信号和第四控制信号，向一次侧第二开关管和一次侧第三开关管输出占空比为所述第一占空比与增量占空比之和，但相差50％占空比的第二控制信号和第三控制信号；
每个开关周期增加为所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号和所述第四控制信号增加预设的预定步长；
其中，所述预定步长大于0小于1；所述第一占空比与所述增量占空比之和大于0小于0.5。
2.根据权利要求1所述的双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法，其特征在于，在二次侧端口电压以恒定斜率上升期间，
Figure FDA0002631660680000011
tD_change＝X×T；
Figure FDA0002631660680000012
式中，tD_change为占空比持续改变时间，Vin为输入电压，D1为所述第一占空比在第一周期的初始占空比，Dmax为所述第一占空比的最大设置占空比，Cp21为二次侧第一NPC电容，X为当前周期数，VAB1为二次侧端口电压在第一周期的初始值，VABX为二次侧端口电压的最大值，T为开关周期。
3.根据权利要求2所述的双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法，其特征在于，启动初始时刻，所述双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的高频变压器的原边电压为输入电压的1/2，输出电压为零。
4.一种控制器，其特征在于，用于输出如权利要求1至3中任一项所述的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，包括：压控振荡器模块、限幅模块、调制模块、移相模块、信号混合模块；
所述压控振荡器模块，用于输出带有谐振频率的正弦波；
所述限幅模块，用于降低占空比变化速率以及限制所述正弦波的输出幅值；
所述调制模块，用于将限幅模块输出的信号与所述压控振荡器输出的所述正弦波信号作比较，得到原始第一控制信号和原始第四控制信号；
所述移相模块，用于将输入的所述原始第一控制信号和所述原始第四控制信号分别移相后产生所述第二控制信号和所述第三控制信号；
所述信号混合模块，用于混合所述原始第一控制信号和所述第二控制信号，得到所述第一控制信号，混合所述原始第四控制信号和所述第三控制信号，得到所述第四控制信号。
5.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述调制模块，包括：
第一调制单元，用于将限幅模块输出的信号与所述压控振荡器输出的所述正弦波信号作比较，得到所述原始第一控制信号；
第二调制单元，用于将限幅模块输出的信号与所述压控振荡器输出的所述正弦波信号作比较，得到所述原始第四控制信号。
6.根据权利要求5所述的控制器，其特征在于，所述移相模块，包括：
第一移向单元，用于对输入的所述原始第一控制信号进行移相得到所述第二控制信号；
第二移向单元，用于对输入的所述原始第四控制信号进行移相得到所述第三控制信号。
7.一种双向半桥三电平CLLLC谐振变换器，其特征在于，使用如权利要求1至3任一项所述的双向半桥三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制方法，包括依次相连的一次侧半桥三电平电路、一次侧谐振电路、高频变压器、二次侧谐振电路和二次侧三电平电路。
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