CN113452260A - 一种基于工作模式切换的混合llc谐振变换器拓扑结构和控制方法 - Google Patents

一种基于工作模式切换的混合llc谐振变换器拓扑结构和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明开了隔离型开关电源技术领域的一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构，包括主电路和控制电路，主电路包括输入侧逆变网络、LLC谐振网络、高频变压器T1和T2、二次侧整流滤波网络和分压采样电路，控制电路包括输出电流电压采样电路、数字控制器和驱动电路；本发明通过控制PWM调制信号改变混合LLC谐振变换器的四个开关管的开通和关断，即可实现全桥LLC谐振变换器和半桥LLC谐振变换器的拓扑结构变换，且无需增加额外的开关器件，通过混合LLC谐振变换器工作模式的切换，减小了LLC谐振变换器在轻载情况下的损耗，提高了变换器的效率，充电过程后期通过单个变压器和两个开关管输出电能，解决了轻载时效率低的问题。

Description

一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构和控 制方法
技术领域
本发明涉及隔离型开关电源技术领域，具体涉及一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构和控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，开关电源功率变换器得到了广泛的应用。其中LLC谐振变换器结构简单，转换效率高，在大功率充电电路设计方面有很大的优势。但LLC谐振变换器存在轻载效率较低和大功率变压器设计困难等问题，因此改进型LLC谐振变换器越来越受到人们的关注。
针对LLC谐振变换器存在的问题，已公开的文献《Full-bridge LLC resonantconverter with series-parallel connected transformers for electric vehicleon-board charger》提出了一种全桥LLC谐振变换器，该变换器采用变压器原边串联副边经过整流后直接并联的结构。在相同功率水平下，与传统的LLC谐振变换器的单变压器结构相比，所改进的变换器可以降低二次绕组的电流应力、整流二极管的导通损耗小、低剖面铁芯可以减少变压器的损耗、改善散热等优点。但该文献重点在于全桥LLC谐振变换器拓扑结构的改进，轻载效率低的问题没有得到很好的解决。又比如《A five-switch bridge basedreconfigurable LLC converter for deeply depleted PEV charging applications》研究了改变开关模式对双LLC谐振腔的重构。通过在变压器一次侧前桥臂增加一个额外的开关管，以产生各种交流输入电压或改变谐振腔的结构，从而在预定的频率跨度中产生不同的电压增益。尽管调节范围有所改善，但电流在开关之间分布不均匀，且多加了个开关管，增加了开关损耗。
因此，亟需设计一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构和控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构和控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构，包括主电路和控制电路，其特征在于：所述主电路包括输入侧逆变网络、LLC谐振网络、高频变压器T1和T2、二次侧整流滤波网络和分压采样电路，所述控制电路包括输出电流电压采样电路、数字控制器和驱动电路。
进一步的，上述基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构中，所述高频变压器T1和T2原边串联、中点连接供电电源负端、副边经整流电路并联连接负载。
一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法，通过检测负载电流判断实施负荷分区控制，输出PWM调制信号控制输入侧逆变网络中开关器件Q1、Q2、Q3、Q4的导通与关断，实现全桥和半桥不同工作模式之间进行切换。
进一步的，上述基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法中，控制Q1、Q4和Q2、Q3交替导通与关断时，通过高频变压器T1和T2中的变压器T1和T2工作在全桥模式，控制开关管Q1和 Q2交替导通与关断，Q3和Q4始终关断时，通过高频变压器T1和T2中的变压器T1工作在半桥模式。
进一步的，上述基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法中，在恒压充电过程中，选择输出电流IO＝I2作为工作模式切换点，设定全桥工作模式切换到半桥工作模式切换点b点，此时的输出电流:
IO＝I3
半桥工作模式切换到全桥工作模式切换点a点，此时的输出电流：
IO＝I1
当输出电流大于I1时，从半桥工作模式切换到全桥工作模式，通过变压器T1和T2共同向电池提供较大的充电电流；当输出电流小于I3时，从全桥工作模式切换到半桥工作模式，通过变压器T1工作在轻载状态，减小变换器轻载时的电路损耗。
进一步的，上述基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法中，包括以下步骤：
S1：在全桥工作模式下，输入侧直流电源经输入侧逆变网络到 LLC谐振网络，再经过高频变压器T1和T2中的变压器T1、T2后经二次侧整流滤波网络后输出；
S2：在半桥工作模式下，输入侧直流电源经输入侧逆变网络到 LLC谐振网络，再经过高频变压器T1和T2中的变压器T1后经二次侧整流滤波网络输出；
S3：电流电压采样电路对主电路输出电压、输出电流采样，进行模数转换至数字控制器；
S4：数字控制器将反馈电压、电流作为内部数字闭环控制程序的输入信号，与设定值进行比较，判断处于恒流充电模式还是恒压充电模式；
S5：当处于恒压充电模式，则进一步比较输出电流和工作切换点。
进一步的，上述基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法中，在上述S4中，若处于恒流充电模式，则利用输出电流与参考电流构成闭环负反馈***，控制器输出PWM调制信号控制 Q1、Q4和Q2、Q3交替导通，使整体工作在全桥工作模式，若处于恒压充电模式，则执行下一步骤。
进一步的，上述基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法中，在上述S5中，若输出电流大于时I1，仍然工作在全桥工作模式；若输出电流小于I3，控制器输出PWM调制信号经驱动电路控制和交替导通，工作在半桥工作模式，直至电动汽车电池充电结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提出通过控制PWM调制信号改变混合LLC谐振变换器的四个开关管的开通和关断，即可实现全桥LLC谐振变换器和半桥 LLC谐振变换器的拓扑结构变换，且无需增加额外的开关器件。
2、本发明提出的一种实现全桥工作模式与半桥工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构和控制方法，通过混合LLC谐振变换器工作模式的切换，减小了LLC谐振变换器在轻载情况下的损耗，提高了变换器的效率。
3、本发明用于电动汽车的阶段式充电过程中，大功率输出时通过双变压器的原边串联，副边通过整流后直接并联的复合结构，变压器功率均分，解决了大功率高频情况下变压器的设计困难问题；充电过程后期则通过单个变压器和两个开关管输出电能，解决了轻载时效率低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明拓扑结构图；
图2为本发明采用基波分析法得到的全桥工作模式的交流等效电路图；
图3为本发明采用基波分析法得到的半桥工作模式的交流等效电路图；
图4为本发明全桥工作模式和半桥工作模式的PWM波形；
图5为本发明充电电源充电特性曲线；
图6为本发明全桥工作模式和半桥工作模式切换的控制方法逻辑流程图；
图7为本发明闭环控制回路的控制框图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-主电路，2-输入侧逆变网络，3-LLC谐振网络，4-高频变压器T1和T2，5-二次侧整流滤波网络，6-分压采样电路，7-控制电路，8-输出电流电压采样电路，9-数字控制器，10-驱动电路。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构，包括主电路1和控制电路7，其特征在于：主电路1包括输入侧逆变网络2、 LLC谐振网络3、高频变压器T1和T24、二次侧整流滤波网络5和分压采样电路6，控制电路7包括输出电流电压采样电路8、数字控制器9和驱动电路10。高频变压器T1和T24原边串联、中点连接供电电源负端、副边经整流电路并联连接负载，在满足LLC谐振变换器基本增益的基础上，采用串并结构降低了大功率LLC谐振变换电路中的变压器设计难度。
一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法，通过检测负载电流判断实施负荷分区控制，输出PWM调制信号控制输入侧逆变网络2中开关器件Q1、Q2、Q3、Q4的导通与关断，实现全桥和半桥不同工作模式之间进行切换。控制Q1、Q4和Q2、Q3交替导通与关断时，通过高频变压器T1和T24中的变压器T1和T2工作在全桥模式，控制开关管Q1和Q2交替导通与关断，Q3和Q4始终关断时，通过高频变压器T1和T24中的变压器T1工作在半桥模式。在全桥工作模式下，谐振变换器通过变压器T1和T2同时向负载提供能量，两个变压器并联输出，功率均分有利于散热和参数设计，且大大减小了副边二极管的电流应力；在半桥工作模式下，该变换器只需要一个变压器和两个开关管，有效地减少了损耗。
在恒压充电过程中，选择输出电流IO＝I2作为工作模式切换点，设定全桥工作模式切换到半桥工作模式切换点b点，此时的输出电流:
IO＝I3
半桥工作模式切换到全桥工作模式切换点a点，此时的输出电流：
IO＝I1
当输出电流大于I1时，从半桥工作模式切换到全桥工作模式，通过变压器T1和T2共同向电池提供较大的充电电流；当输出电流小于I3时，从全桥工作模式切换到半桥工作模式，通过变压器T1工作在轻载状态，减小变换器轻载时的电路损耗，提高转换效率。
一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法，包括以下步骤：
S1：在全桥工作模式下，输入侧直流电源经输入侧逆变网络2到 LLC谐振网络3，再经过高频变压器T1和T24中的变压器T1、T2后经二次侧整流滤波网络5后输出；
S2：在半桥工作模式下，输入侧直流电源经输入侧逆变网络2到 LLC谐振网络3，再经过高频变压器T1和T24中的变压器T1后经二次侧整流滤波网络5输出；
S3：电流电压采样电路8对主电路1输出电压Vo、输出电流Io采样，进行模数转换至数字控制器9；
S4：数字控制器9将反馈电压vf、电流if作为内部数字闭环控制程序的输入信号，与设定值进行比较，判断处于恒流充电模式还是恒压充电模式；若处于恒流充电模式，则利用输出电流与参考电流构成闭环负反馈***，控制器输出PWM调制信号控制Q1、Q4和Q2、Q3交替导通，使整体工作在全桥工作模式，若处于恒压充电模式，则执行下一步骤。
S5：当处于恒压充电模式，则进一步比较输出电流和工作切换点；若输出电流大于时I1，仍然工作在全桥工作模式；若输出电流小于I3，控制器输出PWM调制信号经驱动电路10控制和交替导通，工作在半桥工作模式，直至电动汽车电池充电结束。
图1为本发明所述实现全桥工作模式与半桥工作模式切换的混合 LLC谐振变换器主电路和控制电路框图。
图2和图3分别为全桥工作模式下和半桥工作模式下通过基波分析法得到的交流等效电路，全桥工作模式下，谐振电感Lr1、Lr2，谐振电容Cr1、Cr2和励磁电感Lm1、Lm2形成谐振网络，Rac1和Rac2为等效至一次侧等效电阻。半桥工作模式下，谐振电感Lr1、谐振电容Cr1和励磁电感Lm1形成谐振网络，Rac为等效至一次侧等效电阻。由交流等效电路得出LLC归一化直流电压增益公式如下：
Figure BDA0003150008830000071
式中，k为励磁电感与谐振电感的比值，Q为品质因数，fn为归一化频率。
图4为驱动电路(10)输出的带有死区时间的驱动波形。当运行在全桥工作模式下时，驱动电路(10)输出PWM1、PWM2、PWM3、PWM4四路带有死区时间的驱动波形。当全桥工作模式切换到半桥工作模式后，驱动电路(10)输出PWM1、PWM2两路带有死区时间的驱动波形，PWM3、PWM4两路驱动信号为0。
图5为所设计的充电电源充电特性曲线，分为两阶段式。开始充电时，以恒定的电流IN对电池快速充电，此过程电压不断上升。到t0时刻，电压上升到恒压充电模式的设定值VN，然后以该电压值恒压充电，电流由于电池的内阻不断下降，到t3时刻，为全桥工作模式切换到半桥工作模式的切换点，此时可以进行工作模式的切换，由全桥工作模式切换到半桥工作模式。
图6为本发明工作模式切换的控制方法逻辑流程图，通过采样得到的输入电压、电流先判断是恒流充电阶段还是恒压充电阶段，当是恒流充电阶段时，继续进行恒流充电。当是恒压充电阶段时，需根据输出电流的大小来判断是否需要进行工作模式的切换。当输出电流值小于I3，全桥工作模式切换到半桥工作模式，当输出电流大于I1时，半桥工作模式切换到全桥工作模式。
图7为闭环控制回路的控制框图，采用的是恒流阶段电流单环控制，恒压阶段电流电压双闭环，加上工作模式切换的控制方式。根据不同的工作模式闭环输出相应的固定占空比、频率可变的PWM驱动波，然后经过驱动电路控制相应的开关管导通与关断，达到输出稳定和模式切换的目的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构，包括主电路(1)和控制电路(7)，其特征在于：所述主电路(1)包括输入侧逆变网络(2)、LLC谐振网络(3)、高频变压器T1和T2(4)、二次侧整流滤波网络(5)和分压采样电路(6)，所述控制电路(7)包括输出电流电压采样电路(8)、数字控制器(9)和驱动电路(10)。
2.根据权利要求1所述的一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构，其特征在于：所述高频变压器T1和T2(4)原边串联、中点连接供电电源负端、副边经整流电路并联连接负载。
3.根据权利要求1所述的一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于：通过检测负载电流判断实施负荷分区控制，输出PWM调制信号控制输入侧逆变网络(2)中开关器件Q1、Q2、Q3、Q4的导通与关断，实现全桥和半桥不同工作模式之间进行切换。
4.根据权利要求3所述的一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于：控制Q1、Q4和Q2、Q3交替导通与关断时，通过高频变压器T1和T2(4)中的变压器T1和T2工作在全桥模式，控制开关管Q1和Q2交替导通与关断，Q3和Q4始终关断时，通过高频变压器T1和T2(4)中的变压器T1工作在半桥模式。
5.根据权利要求4所述的一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于：在恒压充电过程中，选择输出电流IO＝I2作为工作模式切换点，设定全桥工作模式切换到半桥工作模式切换点(b点)，此时的输出电流:
IO＝I3
半桥工作模式切换到全桥工作模式切换点(a点)，此时的输出电流：
IO＝I1
当输出电流大于I1时，从半桥工作模式切换到全桥工作模式，通过变压器T1和T2共同向电池提供较大的充电电流；当输出电流小于I3时，从全桥工作模式切换到半桥工作模式，通过变压器T1工作在轻载状态，减小变换器轻载时的电路损耗。
6.根据权利要求1-5所述的一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在全桥工作模式下，输入侧直流电源经输入侧逆变网络(2)到LLC谐振网络(3)，再经过高频变压器T1和T2(4)中的变压器T1、T2后经二次侧整流滤波网络(5)后输出；
S2：在半桥工作模式下，输入侧直流电源经输入侧逆变网络(2)到LLC谐振网络(3)，再经过高频变压器T1和T2(4)中的变压器T1后经二次侧整流滤波网络(5)输出；
S3：电流电压采样电路(8)对主电路(1)输出电压Vo、输出电流Io采样，进行模数转换至数字控制器(9)；
S4：数字控制器(9)将反馈电压vf、电流if作为内部数字闭环控制程序的输入信号，与设定值进行比较，判断处于恒流充电模式还是恒压充电模式；
S5：当处于恒压充电模式，则进一步比较输出电流和工作切换点。
7.根据权利要求6所述的一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于：在上述S4中，若处于恒流充电模式，则利用输出电流与参考电流构成闭环负反馈***，控制器输出PWM调制信号控制Q1、Q4和Q2、Q3交替导通，使整体工作在全桥工作模式，若处于恒压充电模式，则执行下一步骤。
8.根据权利要求6所述的一种基于工作模式切换的混合LLC谐振变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于：在上述S5中，若输出电流大于时I1，仍然工作在全桥工作模式；若输出电流小于I3，控制器输出PWM调制信号经驱动电路(10)控制和交替导通，工作在半桥工作模式，直至电动汽车电池充电结束。
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