一種用于lcc諧振dc-dc變換器的混合控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于LCC諧振DC-DC變換器的不對(duì)稱混合控制方法，屬于諧振功率 變換器技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] LCC諧振變換器作為一種諧振型DC/DC變換器，廣泛應(yīng)用在高壓直流電源、分布式 電源、電動(dòng)汽車快速充電以及未來電網(wǎng)中的大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域。其中，諧振變化器是是 發(fā)電系統(tǒng)與電能存儲(chǔ)元件之間的紐帶，是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部分。為了進(jìn)一步提高功率密度、 縮減成本和體積以適應(yīng)上述應(yīng)用領(lǐng)域，諧振變換器轉(zhuǎn)換效率的提升成為研究熱點(diǎn)之一。
[0003] 這些應(yīng)用中通常加入變壓器以滿足升壓和隔離的需要，同時(shí)也不可避免地在電路 中引入變壓器的寄生參數(shù)。串并聯(lián)諧振變換器能消除變壓器寄生參數(shù)的影響，利用電感、電 容的自然諧振實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，降低器件的開關(guān)損耗。作為一種三元件諧振型變換器，串并聯(lián)諧 振變換器擁有比其他二元件諧振變換器如串聯(lián)諧振變換器、并聯(lián)諧振變換器更好的負(fù)載調(diào) 節(jié)能力和開路、短路適應(yīng)性。
[0004] LCC諧振變換器的控制是通過對(duì)逆變器門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制實(shí)現(xiàn)的，其控制方式 分為三類:定頻控制，變頻控制，最優(yōu)控制。變頻的工作方式可以擁有較大的輸出范圍，但其 也有很多缺點(diǎn)，例如使噪音的頻譜增加，增加了控制電磁干擾的難度，同時(shí)使電壓濾波更復(fù) 雜并降低了磁感應(yīng)器件利用率。而工作頻率提高使功率因數(shù)下降并產(chǎn)生環(huán)流降低工作效 率。最優(yōu)控制具有良好的魯棒性，當(dāng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，控制器仍然有良好的響應(yīng)速 度。其缺點(diǎn)是需要測(cè)量系統(tǒng)所有的狀態(tài)變量，性能效果依賴于對(duì)被控系統(tǒng)的準(zhǔn)確建模，同時(shí) 其結(jié)構(gòu)也過于復(fù)雜。在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用較多的是定頻控制，在確定系統(tǒng)輸入輸出范圍 的前提下，通過建立穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模型，忽略高頻分量的影響近似的帶線性化的狀態(tài)方程，最終 確定以移相角或占空比為控制量的開環(huán)或閉環(huán)控制器。盡管定頻控制有很多優(yōu)點(diǎn)，但是從 實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的角度，該控制方法為了保證諧振變換器能在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，必須使 諧振變換器運(yùn)行在較高的開關(guān)頻率下，損耗較大。
[0005] 中國專利CN201310301554.0提出了一種LLC諧振變換器輕負(fù)載控制方法及裝置。 該方法通過判斷負(fù)載進(jìn)行選擇控制方法，輕載時(shí)進(jìn)行定頻脈寬控制；非輕載時(shí)進(jìn)行變頻控 制，可以解決零電壓的環(huán)境喪失問題。但是其沒有實(shí)現(xiàn)完全的定頻控制，并且相對(duì)來說定頻 頻率比較高，損耗較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種用于LCC諧振DC-DC 變換器的不對(duì)稱混合控制方法，在保證輸出功率范圍的同時(shí)，可以在更大的范圍實(shí)現(xiàn)開關(guān) 管ZVS控制并且保持較低的開關(guān)頻率，提高了效率。
[0007] 技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種用于LCC諧振DC-DC變換器的混合控制方法，通過采集變換器的輸入電壓V,、 輸出電壓V。和輸出電流i。獲得反饋信號(hào)：當(dāng)變換器的目標(biāo)輸出電壓小于額定輸出電壓 一半時(shí)，變換器采用定頻移相控制模式進(jìn)行控制；否則，變換器采用定頻不對(duì)稱電壓控制模 式進(jìn)行控制;其中，額定輸出電壓V〇N取決于LCC諧振DC-DC變換器的輸入電壓Vi和負(fù)載情況。 采用定頻不對(duì)稱電壓控制模式雖然可以保證以較低的頻率實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，但是該控制模 式下的輸出電壓范圍有限，不能輸出對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)條件下額定輸出電壓的一半及以下；當(dāng)需要 輸出電壓在對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)條件下額定輸出電壓的一半及以上時(shí)，切換到定頻移相控制模式，定 頻移相控制模式實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)沒有定頻不對(duì)稱電壓控制模式寬松，但是輸出電壓范圍較 大。
[0009]優(yōu)選的，所述變換器的輸入電壓Vi通過電壓傳感器采集獲得，負(fù)載情況根據(jù)變換 器的輸出電壓V。和輸出電流i。計(jì)算獲得，額定輸出電壓VqN根據(jù)主電路參數(shù)、輸入電壓、負(fù)載 情況和開關(guān)頻率計(jì)算獲得，
其中，K為變壓器變比，Θ為 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)副邊整流橋的導(dǎo)通角，H(s)為開關(guān)管橋臂到輸出之間的傳遞函數(shù)。
[0010]優(yōu)選的，所述定頻移相控制模式和定頻不對(duì)稱電壓控制模式中，采用的開關(guān)頻率 根據(jù)初始負(fù)載情況和主電路參數(shù)計(jì)算獲得，并相對(duì)計(jì)算值保留設(shè)計(jì)裕量，設(shè)計(jì)裕量需確保 定頻不對(duì)稱電壓控制模式在任意控制角情況下均能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)。通過理論分 析可知，在固定負(fù)載情況和輸入電壓的情況下，定頻移相控制模式在任意情況下都對(duì)應(yīng)著 一個(gè)最低開關(guān)頻率以保證開關(guān)管能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)；因此選取其中最大的開關(guān)頻率，并保 持一定裕量，可以保證在定頻不對(duì)稱電壓控制模式下的任意控制角，開關(guān)管均能實(shí)現(xiàn)零電 壓開關(guān)。
[0011]為了保證控制模式切換的穩(wěn)定性，設(shè)置一個(gè)切換區(qū)間防止干擾造成控制模式之間 的錯(cuò)誤切換，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，具體方式為:所述定頻移相控制模式和定頻不對(duì)稱電壓控制 模式之間的切換存在緩沖區(qū)：當(dāng)變換器從定頻移相控制模式進(jìn)入緩沖區(qū)時(shí)，在緩沖區(qū)采用 定頻移相控制模式；當(dāng)變換器從定頻不對(duì)稱電壓控制模式進(jìn)入緩沖區(qū)時(shí)，在緩沖區(qū)采用定 頻不對(duì)稱電壓控制模式;緩沖區(qū)的區(qū)間范圍為0.45VJ~0.55V』，即：當(dāng)變換器需要從定頻 移相控制模式變換到定頻不對(duì)稱電壓控制模式時(shí)，首先從定頻移相控制模式進(jìn)入緩沖區(qū)， 當(dāng)變換器的目標(biāo)輸出電壓大于0.55ν〇 Ν時(shí)則從緩沖區(qū)變換到定頻不對(duì)稱電壓控制模式，當(dāng)變 換器的目標(biāo)輸出電壓小于〇. 45ν〇Ν時(shí)則返回定頻移相控制模式；當(dāng)變換器需要從定頻不對(duì)稱 電壓控制模式變換到定頻移相控制模式時(shí)，首先從定頻不對(duì)稱電壓控制模式進(jìn)入緩沖區(qū)， 當(dāng)變換器的目標(biāo)輸出電壓小于0.45ν〇 Ν時(shí)則從緩沖區(qū)變換到定頻移相控制模式，當(dāng)變換器的 目標(biāo)輸出電壓大于0.55ν〇Ν時(shí)則返回定頻不對(duì)稱電壓控制模式。
[0012] 由于系統(tǒng)存在不確定性和測(cè)量準(zhǔn)確性的問題，計(jì)算得到的額定輸出電壓可能并不 是十分準(zhǔn)確，因此在某一控制模式輸出極限的情況下仍不能達(dá)到目標(biāo)電壓，則應(yīng)該切換另 一種控制方式，具體方式為:在定頻移相控制模式下，如果移相角在90°時(shí)仍然不能使輸出 電壓V。達(dá)到目標(biāo)輸出電壓，則將變換器強(qiáng)制轉(zhuǎn)換到定頻不對(duì)稱電壓控制模式進(jìn)行控制；在 定頻不對(duì)稱電壓控制模式下，如果控制角在0°時(shí)仍然不能使輸出電壓V。達(dá)到目標(biāo)輸出電 壓，則將變換器強(qiáng)制轉(zhuǎn)換到定頻移相控制模式進(jìn)行控制。
[0013] 優(yōu)選的，定頻不對(duì)稱電壓控制模式的具體控制方式為:在任意時(shí)刻，開關(guān)管整流橋 的一個(gè)橋臂的開關(guān)信號(hào)占空比恒定為50%，另一個(gè)橋臂的開關(guān)信號(hào)占空比可變(該橋臂上 一個(gè)開關(guān)信號(hào)的占空比變化范圍在0~180°之間，另一個(gè)開關(guān)信號(hào)的占空比變化范圍在180 ~360°之間），將該可變的占空比稱為定頻不對(duì)稱電壓控制模式的控制角(或者控制量）；開 關(guān)管整流橋中斜對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)管信號(hào)的相位相同，同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管信號(hào)相反。
[0014] 優(yōu)選的，定頻移相控制模式下，移相角在90~180°范圍內(nèi)，從而保證變換器能夠平 穩(wěn)地從定頻移相控制模式切換到定頻不對(duì)稱電壓控制模式。
[0015] 優(yōu)選的，定頻移相控制模式中的移相角和定頻不對(duì)稱電壓控制模式中的控制角根 據(jù)輸出電壓反饋，通過PI、PID或模糊邏輯控制器的電壓環(huán)進(jìn)行控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性 尚等優(yōu)點(diǎn)。
[0016] 有益效果:本發(fā)明提供的用于LCC諧振DC-DC變換器的混合控制方法，相對(duì)于現(xiàn)有 技術(shù)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、對(duì)于不同負(fù)載情況，不對(duì)稱移相控制實(shí)現(xiàn)ZVS所需的開關(guān)頻率要小 于移相控制；當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，不對(duì)稱移相控制具有更低的損耗；因此，該控制方法可以 在更小的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開通，損耗較?。?、采用單純不對(duì)稱電壓控制作為控 制方法雖然可以在實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的同時(shí)降低開關(guān)頻率，減小損耗，但是系統(tǒng)的功率輸出范圍 有限;本發(fā)明采用兩種控制方法相互切換的控制策略，當(dāng)需要輸出低功率時(shí)，控制模式切換 成定頻移相控制，擴(kuò)大了系統(tǒng)的功率輸出范圍。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的LCC諧振DC-DC變換器的主電路示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明的LCC諧振DC-DC變換器的交流等效圖；
[0019]圖3為本發(fā)明的控制原理框圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明的控制模式切換的緩沖區(qū)示意圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明的控制模式選擇流程圖；
[0022] 圖6為本發(fā)明的不對(duì)稱控制模式開關(guān)信號(hào)示意圖；
[0023]圖7為移相控制和不對(duì)稱電壓控制模式下控制角與實(shí)現(xiàn)ZVS所需的最低開關(guān)頻率 示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0025]本發(fā)明主要用于LCC諧振DC-DC變換器的控制，現(xiàn)以具體諧振為例說明本發(fā)明。如 圖1所示，本實(shí)施例中選用的LCC諧振變換器為全橋LCC諧振變換器如圖1所示，包括:輸入直 流電壓I、開關(guān)管整流橋、諧振網(wǎng)絡(luò)、高