CN113131751B - 全桥llc谐振变换器谐振频率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，包括：配置控制器底层，在开关管关断前的给定超前时刻Δt触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}；PI调节全桥LLC谐振变换器开关频率f，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内，实现对LLC谐振频率f_r的跟踪。该方法可实现谐振频率的快速跟踪，将开关频率调整至谐振频率点左侧且接近谐振频率处，使谐振变换器工作在最优区域，全桥开关管实现零电压开通，副边整流二极管无反向恢复问题，从而降低***损耗，提高***效率。同时，该方法可有效应对批量产品由于谐振器件精度、器件组合、线路分布参数等导致的谐振频率差异以及器件参数衰减所导致的谐振频率变化。

Description

全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法

技术领域

本发明属于变换器技术领域，尤其涉及一种全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法。

背景技术

现有全桥LLC谐振变换器主要有两种控制方法：PFM变频控制和PWM定频移相控制。不管采用哪种控制方法均需要准确的确定LLC的谐振频率点，并希望谐振频率是一个固定的常数。对于PWM定频移相控制来说，需要根据确定的谐振频率点，将开关频率设置在谐振频率点左侧且接近谐振频率的位置，从而使谐振变换器工作在最优区域。

对于批量产品而言，一般通过提高谐振电容、谐振电感、励磁电感等谐振器件的精度、筛选器件组合、优化器件布局及走线的方式，将谐振频率控制在理想范围内。但是，谐振器件参数在长时间使用过程中会发生变化，尤其是谐振电容容值会发生衰减，再加上主电路电缆、铜排杂散电感的存在，由谐振频率公式

可知，变换器的实际谐振频率可能高于理想设计值，也可能低于理想设计值。

当谐振频率小于开关频率时，副边整流二极管存在反向恢复问题；当谐振频率大于开关频率时，副边电流断续时间较长，输出电流纹波较大，且移相控制存在较大无效区。因此，有必要根据谐振频率变化，调整开关频率，以使谐振变换器工作在最优区域。同时，当产品大批量装车时，不可能通过人工测量的方法定期测量产品的谐振频率点，一种自动实时跟踪谐振频率的方法变的非常重要。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，以确定LLC谐振频率点，并使开关频率接近谐振频率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，全桥LLC谐振变换器采用PWM定频移相控制，包括：

配置控制器底层，在开关管关断前的给定超前时刻Δt触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}；

PI调节全桥LLC谐振变换器开关频率f，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内，实现对LLC谐振频率f_r的跟踪。

优选的，配置控制器底层，在开关管关断前的给定超前时刻Δt触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}的方法为：

计算开关管驱动的计数周期为：

其中，f_CPU为计数时钟频率；

设定开关管驱动的第一比较值CMPA为：

CMPA＝TBPRD×D (2)

配置开关管驱动的计数寄存器计数到第一比较值CMPA时，进行电平变化，控制开关管由开通切换为关断状态；

其中，D为开关管的驱动信号占空比；

根据第一比较值CMPA确定给定超前时刻Δt的开关管驱动的第二比较值CMPB为：

CMPB＝CMPA-Δt×f_CPU (3)

配置开关管驱动的计数寄存器计数到第二比较值CMPB时，触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}。

优选的，若谐振频率f_r大于开关频率f，则谐振电流i_Lr等于励磁电流i_Lm，副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}为0，提高开关频率f，以对谐振频率进行跟踪。

优选的，若谐振频率f_r小于开关频率f，则谐振电流i_Lr大于励磁电流i_Lm，副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}大于0，降低开关频率f，以对谐振频率进行跟踪。

优选的，PI调节全桥LLC谐振变换器开关频率f，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内，实现对LLC谐振频率的跟踪的方法为：

设定副边整流二极管的超前电流参考值i_{D_off_ref}；

给定死区上下限值，确定死区范围；

将副边整流二极管的超前电流参考值i_{D_off_ref}与副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}的偏差值error0进行死区非线性处理，使死区非线性处理后的修正偏差值error满足死区范围，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内；

以初始开关频率f₀为目标值，将修正偏差值error经PI调节后输出得到开关频率f；

根据按式(1)-(3)，进一步修改控制器底层，进行下一个周期的谐振频率跟踪，确定开关频率f的最终稳定值为LLC谐振变换器的谐振频率f_r。

优选的，若偏差值error0满足死区范围，将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error为0；

若偏差值error0小于给定的死区下限值，则将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error增大至死区范围内；

若偏差值error0大于给定的死区上限值，则将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error减小至死区范围内。

优选的，若偏差值error0小于给定的死区下限值，则修正偏差值error为偏差值error0与死区下限值的和值；

若偏差值error0大于给定的死区上限值，则修正偏差值error为偏差值error0与死区上限值的差值。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供的全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，通过配置控制器底层，在开关管关断前的给定超前时刻Δt触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}；然后，通过PI调节全桥LLC谐振变换器开关频率f，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内，以实现对LLC谐振频率的跟踪。该方法可实现谐振频率的快速跟踪，将开关频率调整至谐振频率点左侧且接近谐振频率处，使谐振变换器工作在最优区域，全桥开关管实现零电压开通，副边整流二极管无反向恢复问题，从而降低***损耗，提高***效率。同时，该方法可有效应对批量产品由于谐振电容、谐振电感、励磁电感等谐振器件精度、器件组合、线路分布参数等导致的谐振频率差异，同时可应对由于器件参数衰减所导致的谐振频率变化。

附图说明

图1为加装副边电流传感器后的全桥LLC谐振变换器拓扑原理图；

图2为副边整流二极管超前电流值i_{D_off}采集原理图；

图3为谐振频率大于开关频率时副边整流二极管波形；

图4为谐振频率f_r小于开关频率f时副边整流二极管波形；

图5为谐振频率跟踪方法框图；

图6为起始开关频率15kHz时仿真结果；

图7为起始开关频率26kHz时仿真结果；

图8为开关频率稳定到22.26kHz时的仿真波形；

图9为开关频率稳定到22.26kHz时的仿真波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明提供了一种全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，全桥LLC谐振变换器采用PWM定频移相控制，包括：

(1)配置控制器底层，在开关管关断前的给定超前时刻Δt触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}。具体为：

计算开关管驱动的计数周期为：

其中，f_CPU为计数时钟频率；

设定开关管驱动的第一比较值CMPA为：

CMPA＝TBPRD×D (2)

配置开关管驱动的计数寄存器计数到第一比较值CMPA时，进行电平变化，控制开关管由开通切换为关断状态；

其中，D为开关管的驱动信号占空比；

根据第一比较值CMPA确定给定超前时刻Δt的开关管驱动的第二比较值CMPB为：

CMPB＝CMPA-Δt×f_CPU (3)

配置开关管驱动的计数寄存器计数到第二比较值CMPB时，触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}。

(2)若谐振频率f_r大于开关频率f，则谐振电流i_Lr等于励磁电流i_Lm，副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}为0，需提高开关频率f，以对谐振频率进行跟踪。若谐振频率f_r小于开关频率f，则谐振电流i_Lr大于励磁电流i_Lm，副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}大于0，需降低开关频率f，以对谐振频率进行跟踪。因此，通过PI调节全桥LLC谐振变换器开关频率f，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内，实现对LLC谐振频率的跟踪。具体为：

①设定副边整流二极管的超前电流参考值i_{D_off_ref}，给定死区上下限值，确定死区范围；

②将副边整流二极管的超前电流参考值i_{D_off_ref}与副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}的偏差值error0进行死区非线性处理，使死区非线性处理后的修正偏差值error满足死区范围，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内。即：

若偏差值error0满足死区范围，将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error为0；

若偏差值error0小于给定的死区下限值，则将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error增大至死区范围内，即可以将修正偏差值error取值为偏差值error0与死区下限值的和值；

若偏差值error0大于给定的死区上限值，则将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error减小至死区范围内，即可以将修正偏差值error取值为偏差值error0与死区上限值的差值。

③然后，以初始开关频率f₀为目标值，将修正偏差值error经PI调节后输出得到开关频率f；

根据按式(1)-(3)，进一步修改控制器底层，进行下一个周期的谐振频率跟踪，确定开关频率f的最终稳定值为LLC谐振变换器的谐振频率f_r。

下面将具体结合如图1所示的全桥LLC谐振变换器，对上述谐振频率跟踪方法进行详细说明：

在LLC谐振变换器输出滤波电容C_f前端加装副边电流传感器，如图1，用于采集副边整流二极管的电流i_D；

要使控制器在开关管Q1关断前的给定超前时刻Δt触发控制器AD采集，采集该时刻的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}，需要对控制器的底层进行配置，具体原理如图2所示：

以DSP控制器为例，假设使用EPWM1A作为开关管Q1的驱动源，计数寄存器TBCTR采用递增计数，若计数时钟频率为f_CPU，则计数周期：

其中，f_CPU为计数时钟频率；

设定开关管驱动的第一比较值CMPA为：

CMPA＝TBPRD×D

其中，D为开关管的驱动信号占空比，开关管Q1的驱动信号占空比为50％。

配置开关管Q1的驱动源EPWM1A在计数寄存器TBCTR等于0时置1，大于CMPA时清0，因此当计数寄存器TBCTR计数到第一比较值CMPA时刻(如图2的t₃时刻)，EPWM1A电平由1变为0，即此时开关管Q1由开通切换为关断状态；

根据第一比较值CMPA确定给定超前时刻Δt的开关管驱动的第二比较值CMPB为：

CMPB＝CMPA-Δt×f_CPU

继续配置DSP控制器底层，当计数寄存器TBCTR等于第二比较值CMPB时触发DAPADC采集，这时DSP ADC采集的副边整流二极管电流值，即为开关管Q1关断前的Δt时刻(如图2的t₂时刻副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}，其中Δt为很小的值。

本实施例中通过PI控制器调节全桥LLC谐振变换器开关频率f，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在很小的范围内，完成对LLC谐振频率f_r的跟踪。参考图3-图5所示，具体为：

当谐振频率f_r偏大时，即谐振频率f_r大于当前的开关频率f，此时开关管Q1关断时，LLC处于谐振电感L_r、谐振电容C_r与励磁电感L_m谐振阶段，此时谐振电流i_Lr等于励磁电流i_Lm，副边整流二极管电流为0，即i_{D_off}为0，如图3所示，若要实现对谐振频率的跟踪，则需要提高开关频率f。当谐振频率f_r偏小时，即谐振频率f_r小于当前的开关频率f，此时开关管Q1关断时，LLC处于谐振电感L_r与谐振电容C_r谐振阶段，此时谐振电流i_Lr大于励磁电流i_Lm，副边整流二极管电流很大，即i_{D_off}很大，如图4所示，若要实现对谐振频率的跟踪，则需要降低开关频率f。

因此，如图5所示，通过PI控制器调节全桥LLC谐振变换器开关频率f，具体为：

①设定副边整流二极管的超前电流参考值i_{D_off_ref}，取i_{D_off_ref}为一个很小的值，开关管Q1关断时(如图2的t₃时刻)，副边整流二极管的电流刚好下降为0。

②给定死区上下限值，确定死区范围。为避免开关频率波动，需对副边整流二极管的超前电流参考值i_{D_off_ref}与副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}的偏差值error0进行死区非线性处理，使死区非线性处理后的修正偏差值error满足死区范围，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内。即：

若偏差值error0满足死区范围，将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error为0；

若偏差值error0小于给定的死区下限值，则将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error增大至死区范围内，实际设计时可以将修正偏差值error取值为偏差值error0与死区下限值的和值；

若偏差值error0大于给定的死区上限值，则将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error减小至死区范围内，实际设计时可以将修正偏差值error取值为偏差值error0与死区上限值的差值。

③然后，以初始开关频率f₀为目标值，将修正偏差值error经PI调节后输出得到开关频率f；

④根据按式(1)-(3)，进一步修改控制器底层，进行下一个周期的谐振频率跟踪，确定开关频率f的最终稳定值为LLC谐振变换器的谐振频率f_r。

实际应用时，须在全桥移相占空比足够大(比如大于98％)时启动谐振频率跟踪，由于开关管死区及占空比不能开满的原因，开关频率f将稳定在LLC谐振变换器谐振频率的左侧且接近谐振频率，即最优工作区域。

下面以一具体实施例验证本申请的谐振频率跟踪方法：

在Simulink环境下搭建某型25kW全桥LLC谐振变换器的仿真模型，验证本申请提出的谐振频率跟踪方法。LLC谐振变换器的实际谐振频率f_r为22.97kHz，开关管死区时间0.5us，Δt为0.5us，i_{D_off_ref}为5A，电流误差死区非线性处理的死区上下限值为±2A，移相全桥占空比大于等于98％时启动谐振频率跟踪。仿真结果如图6、图7、图8、图9所示，起始开关频率f分别为15kHz、26kHz，0.6时刻开始进行谐振频率跟踪，均在0.5s内完成了对谐振频率的跟踪，开关频率收敛至22.26kHz，仿真实现了对谐振频率的快速跟踪，开关频率接近谐振频率，且位于谐振频率点的左侧。谐振电流接近正弦，副边整流二极管电流自然降为0，整流二极管无反向恢复问题。

综上，本发明提供的全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，通过配置控制器底层，在开关管关断前的给定超前时刻Δt触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}；然后，通过PI调节全桥LLC谐振变换器开关频率f，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内，以实现对LLC谐振频率的跟踪。该方法可实现谐振频率的快速跟踪，将开关频率调整至谐振频率点左侧且接近谐振频率处，使谐振变换器工作在最优区域，全桥开关管实现零电压开通，副边整流二极管无反向恢复问题，从而降低***损耗，提高***效率。同时，该方法可有效应对批量产品由于谐振电容、谐振电感、励磁电感等谐振器件精度、器件组合、线路分布参数等导致的谐振频率差异，同时可应对由于器件参数衰减所导致的谐振频率变化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，其特征在于，全桥LLC谐振变换器采用PWM定频移相控制，包括：

配置控制器底层，在开关管关断前的给定超前时刻Δt触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}；

PI调节全桥LLC谐振变换器开关频率f，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内，实现对LLC谐振频率f_r的跟踪；

其中，PI调节全桥LLC谐振变换器开关频率f，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内，实现对LLC谐振频率的跟踪的方法为：

设定副边整流二极管的超前电流参考值i_{D_off_ref}；

给定死区上下限值，确定死区范围；

将副边整流二极管的超前电流参考值i_{D_off_ref}与副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}的偏差值error0进行死区非线性处理，使死区非线性处理后的修正偏差值error满足死区范围，将副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}控制在预设的目标范围内；

以初始开关频率f₀为目标值，将修正偏差值error经PI调节后输出得到开关频率f；

根据按式(1)-(3)，进一步修改控制器底层，进行下一个周期的谐振频率跟踪，确定开关频率f的最终稳定值为LLC谐振变换器的谐振频率f_r；

其中，配置控制器底层，在开关管关断前的给定超前时刻Δt触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}的方法为：

计算开关管驱动的计数周期为：

其中，f_CPU为计数时钟频率；

设定开关管驱动的第一比较值CMPA为：

CMPA＝TBPRD×D (2)

配置开关管驱动的计数寄存器计数到第一比较值CMPA时，进行电平变化，控制开关管由开通切换为关断状态；

其中，D为开关管的驱动信号占空比；

根据第一比较值CMPA确定给定超前时刻Δt的开关管驱动的第二比较值CMPB为：

CMPB＝CMPA-Δt×f_CPU (3)

配置开关管驱动的计数寄存器计数到第二比较值CMPB时，触发控制器采集给定超前时刻Δt的副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}。

2.根据权利要求1所述的全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，其特征在于，若谐振频率f_r大于开关频率f，则谐振电流i_Lr等于励磁电流i_Lm，副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}为0，提高开关频率f，以对谐振频率进行跟踪。

3.根据权利要求2所述的全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，其特征在于，若谐振频率f_r小于开关频率f，则谐振电流i_Lr大于励磁电流i_Lm，副边整流二极管的超前电流值i_{D_off}大于0，降低开关频率f，以对谐振频率进行跟踪。

4.根据权利要求3所述的全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，其特征在于，若偏差值error0满足死区范围，将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error设置为0；

若偏差值error0小于给定的死区下限值，则将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error增大至死区范围内；

若偏差值error0大于给定的死区上限值，则将偏差值error0进行死区非线性处理后的修正偏差值error减小至死区范围内。

5.根据权利要求4所述的全桥LLC谐振变换器谐振频率跟踪方法，其特征在于：

若偏差值error0小于给定的死区下限值，则修正偏差值error为偏差值error0与死区下限值的和值；

若偏差值error0大于给定的死区上限值，则修正偏差值error为偏差值error0与死区上限值的差值。

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