專利名稱：Llc諧振變換電路的數(shù)字化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諧振變換電路，尤其涉及一種適用于LLC串聯(lián)諧振變換電路的數(shù)字 化控制方法。
背景技術(shù)：
諧振變換器以其大功率、高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)在開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用中得 到廣泛的研究和關(guān)注，LLC串聯(lián)諧振變換電路作為一種特殊的電路拓?fù)洌饶軌驖M足高 頻化的要求，又能達(dá)到較高的變換效率，已經(jīng)被業(yè)界廣泛采用。工程上常用的LLC串聯(lián) 諧振變換電路一般用在降壓場(chǎng)合，其應(yīng)用已經(jīng)較為成熟。而作為單相UPS (不間斷電源) 中DCDC部分的升壓變換器的應(yīng)用還較為少見(jiàn)，尤其是其所帶負(fù)載為單相逆變器。用在 升壓變換帶逆變負(fù)載的LLC數(shù)字控制上存在以下難點(diǎn)
一 LLC串聯(lián)諧振變換電路采用數(shù)字控制是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。作為UPS的一 部分，LLC串聯(lián)諧振變換電路采用了數(shù)字化控制，因而UPS總體設(shè)計(jì)的控制頻率決定 了 LLC串聯(lián)諧振變換電路的控制精度，由于UPS采用的控制和AD采樣頻率一般為 IOKHz,而LLC串聯(lián)諧振變換電路的工作頻率一般在ΙΟΟΚΗζ，因此兩者的頻帶相差太 遠(yuǎn)，這帶來(lái)的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。首先AD采樣頻率太低，采樣LLC串聯(lián)諧振變換電路 的諧振電流滯后嚴(yán)重，電流環(huán)控制無(wú)法精確實(shí)現(xiàn)，而且還有可能變成正反饋；其次，即 使是采樣電流輪廓進(jìn)行控制，由于控制頻率太低，電流環(huán)帶寬難以提高，電流環(huán)的作用 會(huì)被大大減弱。
二 LLC串聯(lián)諧振變換電路作為升壓變換器，不可避免輸入側(cè)電流較大，因而開 關(guān)管II區(qū)電壓應(yīng)力較大；而輸出所帶負(fù)載為單相逆變器，單相逆變器的功率是以其工頻 周期的一半波動(dòng)的，單相逆變器負(fù)載的功率波動(dòng)性極大地影響了輸出動(dòng)態(tài)變化判斷的難 度，首先，即使逆變器穩(wěn)定帶載，對(duì)于LLC串聯(lián)諧振變換電路來(lái)說(shuō)也相當(dāng)于時(shí)刻處于動(dòng) 態(tài)過(guò)程；其次逆變器突加載的不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)著LLC串聯(lián)諧振變換電路不同的輸出電壓動(dòng) 態(tài)響應(yīng)特性和II區(qū)電壓應(yīng)力，這給電路的設(shè)計(jì)和控制帶來(lái)極大的不利。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的就是解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提供控制方法簡(jiǎn)單的LLC諧振 變換電路的數(shù)字控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中UPS難以實(shí)現(xiàn)LLC串聯(lián)諧振變換電路的問(wèn)題。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
對(duì)LLC串聯(lián)諧振變換電路和與LLC串聯(lián)諧振變換電路電連接的逆變器分別進(jìn) 行采樣，經(jīng)過(guò)計(jì)算輸出至數(shù)字控制器，所述數(shù)字控制器對(duì)輸入量進(jìn)行運(yùn)算后輸出驅(qū)動(dòng)脈 沖，所述驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)所述LLC串聯(lián)諧振變換電路進(jìn)行控制。
所述數(shù)字控制器的輸入量包括輸入量一和輸入量二，所述輸入量一由所述比例 積分調(diào)節(jié)器控制輸出，包括以下步驟，1)從所述LLC串聯(lián)諧振變換電路得到輸出電壓采樣值，幻將所述輸出電壓采樣值與給定電壓值比較，經(jīng)比例積分運(yùn)算得到數(shù)字控制器的 輸入量一；所述輸入量二是根據(jù)逆變電流值判斷出的動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值，所述動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值 用于確定和控制LLC電路的初始工作狀態(tài)，包括以下步驟，1)對(duì)所述逆變器輸出采樣逆 變電流得到逆變電流采樣值一，幻對(duì)所述逆變電流進(jìn)行全通濾波后得到逆變電流采樣值 二，幻將逆變電流采樣值一和逆變電流值二分別取絕對(duì)值后相加得到逆變電流值，4)根 據(jù)逆變電流值確定動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值。
當(dāng)所述逆變電流值大于參考值一時(shí)，參考值一根據(jù)負(fù)載的電氣特性確定，動(dòng)態(tài) 工作點(diǎn)值為L(zhǎng)LC串聯(lián)諧振變換電路的諧振頻率點(diǎn)；反之，當(dāng)所述逆變電流值小于參考值 一時(shí)，動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值為L(zhǎng)LC串聯(lián)諧振變換電路的最大頻率點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的工作狀態(tài)，通常選擇LLC串聯(lián)諧振變換電路的諧振點(diǎn)作為最優(yōu)的 動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)。
為了避免電流環(huán)控制帶來(lái)的誤差和不穩(wěn)定性，本發(fā)明中的所述LLC串聯(lián)諧振變 換電路采用單電壓環(huán)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明在整個(gè)負(fù)載范圍采用變頻控制和脈寬調(diào)制相結(jié)合的控制模式，當(dāng)負(fù)載工 作在空載或者輕載狀態(tài)時(shí)，則產(chǎn)生由變頻控制信號(hào)和脈寬調(diào)制信號(hào)共同調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈 沖，所述變頻控制信號(hào)由變頻控制電路產(chǎn)生，所述脈寬調(diào)制信號(hào)由脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生； 否則，產(chǎn)生占空比穩(wěn)定而由變頻控制信號(hào)單獨(dú)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖。
本發(fā)明有益的技術(shù)效果是
結(jié)合數(shù)字控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)UPS中LLC串聯(lián)諧振變換電路的應(yīng)用，本發(fā)明提出的 單電壓環(huán)數(shù)字控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合逆變器負(fù)載的特性應(yīng)用了軟件“虛擬整流”的方法快速判 斷當(dāng)前的負(fù)載狀態(tài)，屏蔽了加載時(shí)刻不同對(duì)系統(tǒng)負(fù)載判斷的不利影響，并根據(jù)判斷出的 負(fù)載狀態(tài)合理的選擇動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)，以避免電流不可控和消除LLC串聯(lián)諧振變換電路II區(qū) 電壓應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)UPS中LLC串聯(lián)諧振變換的應(yīng)用。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明的數(shù)字控制器的結(jié)構(gòu)原理圖3為本發(fā)明的LLC諧振變換電路的數(shù)字控制結(jié)構(gòu)原理圖4為“虛擬整流”原理圖。
圖5所示為動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算流程圖。
圖6為“虛擬整流”和PI調(diào)節(jié)器的工作原理圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1和圖2的LLC串聯(lián)諧振變換電路的原理框圖，為了避免電流環(huán)控制帶 來(lái)的誤差和不穩(wěn)定性，LLC串聯(lián)諧振變換電路采用單電壓環(huán)結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)電路、LLC 串聯(lián)諧振變換電路、逆變器、采樣電路，數(shù)字控制器；其中，采樣電路包括對(duì)LLC串聯(lián) 諧振變換電路的輸出電壓采樣和對(duì)逆變器的輸出逆變電流進(jìn)行采樣，對(duì)采樣值經(jīng)過(guò)計(jì)算 后輸出至數(shù)字控制器，所述數(shù)字控制器的工作原理是根據(jù)輸入量的計(jì)算經(jīng)運(yùn)算電路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，所述驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)所述LLC串聯(lián)諧振變換電路進(jìn)行控制，LLC串聯(lián) 諧振變換電路輸出直流電壓至逆變器。
其中數(shù)字控制器的輸入量包括輸入量一和輸入量二，輸入量一由比例積分調(diào)節(jié) 器(簡(jiǎn)稱PI調(diào)節(jié)器)控制輸出，包括以下步驟1)從所述LLC串聯(lián)諧振變換電路采樣實(shí) 際輸出電壓值，幻將所述輸出電壓采樣值與給定電壓值經(jīng)過(guò)比例積分運(yùn)算得到數(shù)字控制 器的輸入量一；輸入量二是根據(jù)逆變電流值判斷出的動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值，所述動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值 用于確定和控制LLC電路的初始工作狀態(tài)，包括以下步驟，1)對(duì)所述逆變器輸出采樣逆 變電流得到逆變電流采樣值一，幻對(duì)所述逆變電流進(jìn)行全通濾波后得到逆變電流采樣值 二，幻將逆變電流采樣值一和逆變電流值二分別取絕對(duì)值后相加得到逆變電流值，4)根 據(jù)逆變電流值確定動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值。
驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器包括變頻控制電路和脈寬調(diào)制電路，當(dāng)負(fù)載工作在空載或者輕 載狀態(tài)時(shí)，則產(chǎn)生由變頻控制信號(hào)和脈寬調(diào)制信號(hào)共同調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖，所述變頻控制 信號(hào)由變頻控制電路產(chǎn)生，所述脈寬調(diào)制信號(hào)由脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生；否則，產(chǎn)生占空比 穩(wěn)定而由變頻控制信號(hào)單獨(dú)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖。
整個(gè)工作范圍的原理圖如圖3所示，虛線代表PI調(diào)節(jié)器控制器的輸出和頻率f的 關(guān)系，實(shí)線代表頻率f與占空比D之間的函數(shù)關(guān)系
整個(gè)負(fù)載范圍采用變頻控制(Pulse Frequency Modulation，簡(jiǎn)稱PFM)方式和脈 寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱PWM)方式相結(jié)合的控制模式，分為以下幾個(gè)階 段
當(dāng)空載或負(fù)載較輕時(shí)，采用PWM和PFM相結(jié)合的模式，輸出PWM占空比隨著 頻率的變化而變化，特點(diǎn)是頻率變化較小，占空比變化很快，頻率和占空比的函數(shù)關(guān)系 式為 D = ko · (F-Fmax)+D00
當(dāng)負(fù)載逐漸加重時(shí)，仍然采用PWM和PFM相結(jié)合的模式，特點(diǎn)是頻率變化較 大，占空比變化范圍減小，頻率和占空比的函數(shù)關(guān)系式為D = Ic1 · (F-F' max)+D10
其中兩個(gè)系數(shù)1 和Ic1實(shí)線和虛線的斜率, D1-D0 , D1-49%
K = . 0 A = -J-^ max --T0Iax^ max ~rr
負(fù)載繼續(xù)加重時(shí)，占空比達(dá)到最大，此時(shí)只調(diào)節(jié)頻率輸出。
依托上述基本工作原理，組建了 LLC數(shù)字控制結(jié)構(gòu)，為了解決動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題， 即瞬態(tài)電流和輸出電壓響應(yīng)特性以及軟件避免II區(qū)電壓應(yīng)力過(guò)大問(wèn)題，通過(guò)軟件“虛擬 整流”的方式在切當(dāng)?shù)臅r(shí)刻選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)，使電路處于最優(yōu)工作狀態(tài)。
軟件“虛擬整流”的原理如圖4所示
對(duì)逆變電流值進(jìn)行采樣得到逆變電流采樣值一，對(duì)測(cè)得的逆變電流進(jìn)行全通濾 波，得到滯后90度的電流，即逆變電流采樣值二，再把逆變電流采樣值一和逆變電流采 樣值二取絕對(duì)值后相加得到逆變電流值f(x) = Vmax(|coSe|+|sine|),可以看出雖然電流 以正弦規(guī)律變化，但是經(jīng)過(guò)整流后，f(X)在(Vmax，λ/ 廠m￡J范圍內(nèi)變化，只要f(X)在一 段時(shí)間(如3ms)大于Vmax，即為加載。
經(jīng)過(guò)“虛擬整流”后，軟件很容易的判斷出當(dāng)前的負(fù)載狀態(tài)，LLC串聯(lián)諧振 變換電路的設(shè)計(jì)思想是諧振工作狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載在可承受范圍之內(nèi)，諧振點(diǎn)是一個(gè)最優(yōu)的工作點(diǎn)，因而可選擇此LLC串聯(lián)諧振變換電路的諧振點(diǎn)為動(dòng)態(tài)的初始工作狀態(tài)，即動(dòng)態(tài) 工作點(diǎn)。圖5所示為動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算流程圖，根據(jù)得到的逆變電流值與參考值一進(jìn)行 比較，參考值一根據(jù)負(fù)載的電氣特性確定，當(dāng)所述逆變電流值大于參考值一時(shí)，動(dòng)態(tài)工 作點(diǎn)值為L(zhǎng)LC串聯(lián)諧振變換電路的諧振頻率點(diǎn)；反之，當(dāng)所述逆變電流值小于參考值一 時(shí)，動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值為L(zhǎng)LC串聯(lián)諧振變換電路的最大頻率點(diǎn)。
當(dāng)負(fù)載工作在空載或者輕載狀態(tài)時(shí)，則產(chǎn)生由變頻控制信號(hào)和脈寬調(diào)制信號(hào)共 同調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖，所述變頻控制信號(hào)由變頻控制電路產(chǎn)生，所述脈寬調(diào)制信號(hào)由脈寬 調(diào)制電路產(chǎn)生；否則，產(chǎn)生占空比穩(wěn)定而由變頻控制信號(hào)單獨(dú)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖。
軟件虛擬整流是在選擇動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的時(shí)候用DSP計(jì)算出來(lái)的，它和PI控制器計(jì) 算得到的輸入量關(guān)系如圖6所示。其中PI控制和動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)輸出驅(qū)動(dòng)頻率，由驅(qū)動(dòng)頻率 計(jì)算出脈寬，然后將兩者給驅(qū)動(dòng)電路。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn) 定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái) 說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種LLC串聯(lián)諧振變換電路的數(shù)字控制方法，其特征在于對(duì)所述LLC串聯(lián)諧振 變換電路和與LLC串聯(lián)諧振變換電路電連接的逆變器分別進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)計(jì)算輸出至數(shù) 字控制器，所述數(shù)字控制器對(duì)輸入量進(jìn)行運(yùn)算后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，所述驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電 路對(duì)所述LLC串聯(lián)諧振變換電路進(jìn)行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的LLC串聯(lián)諧振變換電路的數(shù)字控制方法，其特征在于所述 數(shù)字控制器的輸入量包括輸入量一和輸入量二，所述輸入量一由所述比例積分調(diào)節(jié)器控 制輸出；所述輸入量二是根據(jù)逆變電流值判斷出的動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值，所述動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值用 于確定和控制LLC電路的初始工作狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求2所述的LLC串聯(lián)諧振變換電路的數(shù)字控制方法，其特征在于所述 輸入量一的獲取包括以下步驟，1)從所述LLC串聯(lián)諧振變換電路得到輸出電壓采樣值， 2)將所述輸出電壓采樣值與給定電壓值比較，經(jīng)比例積分運(yùn)算得到數(shù)字控制器的輸入量
4.如權(quán)利要求2所述的LLC串聯(lián)諧振變換電路的數(shù)字控制方法，其特征在于所述 輸入量二的獲取包括以下步驟，1)對(duì)所述逆變器輸出采樣逆變電流得到逆變電流采樣值 一，2)對(duì)所述逆變電流進(jìn)行全通濾波后得到逆變電流采樣值二，3)將逆變電流采樣值一 和逆變電流值二分別取絕對(duì)值后相加得到逆變電流值，4)根據(jù)逆變電流值確定動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)ο
5.如權(quán)利要求4所述的LLC串聯(lián)諧振變換電路的數(shù)字控制方法，其特征在于當(dāng)所 述逆變電流值大于參考值一時(shí)，動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值為L(zhǎng)LC串聯(lián)諧振變換電路的諧振頻率點(diǎn)； 反之，當(dāng)所述逆變電流值小于參考值一時(shí)，動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)值為L(zhǎng)LC串聯(lián)諧振變換電路的最 大頻率點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求3或4所述的LLC串聯(lián)諧振變換電路的數(shù)字控制方法，其特征在于 所述LLC串聯(lián)諧振變換電路采用單電壓環(huán)結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求3或4所述的LLC串聯(lián)諧振變換電路的數(shù)字控制方法，其特征在于， 所述驅(qū)動(dòng)脈沖包括變頻控制信號(hào)和脈寬調(diào)制信號(hào)，當(dāng)負(fù)載工作在空載或者輕載狀態(tài)時(shí)， 則產(chǎn)生由變頻控制信號(hào)和脈寬調(diào)制信號(hào)共同調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖，所述變頻控制信號(hào)由變頻 控制電路產(chǎn)生，所述脈寬調(diào)制信號(hào)由脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生；否則，產(chǎn)生占空比穩(wěn)定而由變 頻控制信號(hào)單獨(dú)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種LLC諧振變換電路的數(shù)字化控制方法，采用單電壓環(huán)數(shù)字控制結(jié)構(gòu)，對(duì)LLC串聯(lián)諧振變換電路和與LLC串聯(lián)諧振變換電路電連接的逆變器分別進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)計(jì)算輸出至數(shù)字控制器，數(shù)字控制器對(duì)輸入量進(jìn)行運(yùn)算后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)所述LLC串聯(lián)諧振變換電路進(jìn)行控制；當(dāng)負(fù)載較輕或空載時(shí)，采用PWM和PFM控制策略相結(jié)合的方式；當(dāng)負(fù)載重載時(shí)，只采用PFM控制。本發(fā)明能夠快速判斷負(fù)載狀態(tài)，屏蔽了加載時(shí)刻不同對(duì)系統(tǒng)負(fù)載判斷的不利影響，根據(jù)判斷出的負(fù)載狀態(tài)合理的選擇動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)，控制電流，消除LLC串聯(lián)諧振變換電路的電壓應(yīng)力，提供的控制方法簡(jiǎn)單，能夠有效減小誤差和不穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H02M3/00GK102025266SQ20091015092
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者劉芳, 衛(wèi)建榮, 韓敏 申請(qǐng)人:力博特公司