一种LLC谐振变换器预测电荷控制方法

技术领域

本发明涉及LLC谐振变换器控制的技术领域，尤其是指一种LLC谐振变换器预测电荷控制方法。

背景技术

LLC谐振变换器由于其高频、高功率密度、高效率、开关应力小等优点，广泛应用于蓄电池充电器、电动汽车、不间断电源、可再生能源、储能系统与航空电力系统等领域。

传统LLC谐振变换器控制方法为脉冲频率调制。为改善LLC谐振变换器动态性能提出的控制方法有：平均电流模式控制、滑模控制、最优轨迹控制。基于LLC谐振变换器的平均电流模式控制在谐振电流检测电路中加入低通滤波器从而获得其平均电流值，其在不同的输入电压下保持较好的动态性能。基于LLC谐振变换器的滑模控制能够实现快速的动态响应，但其牺牲了系统的稳态性能，即引入稳态误差与增大输出电压纹波。基于状态平面分析的最优轨迹控制可以为LLC谐振变换器提供良好的动态特性，然而其轨迹控制由于状态变量的增加和运行方式的变化而变得相当复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种LLC谐振变换器预测电荷控制方法，通过预测谐振电容电压阈值调节触发脉冲宽度，其实现方便简单，在各种工况下都具有非常快的动态响应，可在短时间内(一个周期内)强制谐振腔进入稳定状态并且不影响系统的稳态性能，提供良好的动态特性与稳态性能，预测控制由于其动态响应快、鲁棒性强以及易于添加约束条件等优势，因此可结合电荷控制从而进一步改善LLC谐振变换器的动态性能。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种LLC谐振变换器预测电荷控制方法，所述LLC谐振变换器包括输入直流电源、初级侧全桥逆变电路、谐振腔、变压器、次级侧全桥整流电路和输出滤波电路，所述输入直流电源、初级侧全桥逆变电路和谐振腔依次连接，所述谐振腔连接于变压器的初级侧，所述变压器的次级侧通过次级侧全桥整流电路与输出滤波电路连接；所述初级侧全桥逆变电路包括四个开关管Q

所述方法是通过预测的两个谐振电容电压阈值V

步骤1：实时采样输入直流电源的输入电压V

步骤2：设定参考电压V

步骤3：将谐振电容电压V

在步骤2中，所述离散预测模型是基于电荷控制思想构建的以下数学表达式：

电荷控制一个周期内输入电荷Q

Q

其中，C

由输入电荷Q

I

由输入电压V

假设LLC谐振变换器的效率为100％，则输入功率等于输出功率，由输出电压V

由输出端电路与次级侧平均电流i

采用欧拉前向法对上式进行离散化处理：

从而得到预测下一时刻的输出电压值V

其中，C

将参考电压值V

在步骤3中，将谐振电容电压V

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、LLC谐振变换器工作模态与状态变量较多，随着时间与外部输入或负载的变化，数学模型将会变得十分复杂。相较于传统控制方法，本发明方法概念直观、易于建模、无需精确模型和复杂控制参数设计。

2、本发明方法在每个周期内开关状态确定且不变，可预测达到参考电压V

3、本发明方法在各种工况下都具有优良的动态响应速度，可在一个周期内强制谐振腔进入稳定状态，并且不影响系统的稳态性能，如稳态误差、效率与输出电压纹波等。

附图说明

图1为本发明方法的架构图。

图2为电荷控制示意图。

图3a为电荷控制传统电压闭环负载突变时的波形图，输入电压V

图3b为本发明预测电荷控制电压闭环负载突变时的波形图，输入电压V

图4a为电荷控制传统电压闭环输入电压突变时的波形图，输入电压V

图4b本发明预测电荷控制电压闭环输入电压突变时的波形图，输入电压V

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例提供了一种LLC谐振变换器预测电荷控制方法，如图1所示，所述LLC谐振变换器包括输入直流电源、初级侧全桥逆变电路、谐振腔、变压器、次级侧全桥整流电路和输出滤波电路，所述输入直流电源、初级侧全桥逆变电路和谐振腔依次连接，所述谐振腔连接于变压器的初级侧，所述变压器的次级侧通过次级侧全桥整流电路与输出滤波电路连接；所述初级侧全桥逆变电路包括四个开关管Q

本实施例所提供的LLC谐振变换器预测电荷控制方法主要是通过预测的两个谐振电容电压阈值V

步骤1：实时采样输入直流电源的输入电压V

步骤2：设定参考电压V

电荷控制一个周期内输入电荷Q

Q

其中，C

由输入电荷Q

I

由输入电压V

假设LLC谐振变换器的效率为100％，则输入功率等于输出功率，由输出电压V

由输出端电路与次级侧平均电流i

采用欧拉前向法对上式进行离散化处理：

从而可得到预测下一时刻的输出电压值V

其中，C

将参考电压值V

步骤3：如图2所示，将谐振电容电压V

在实际操作中，将谐振电容电压V

本实施例对LLC谐振变换器分别进行预测电荷控制电压闭环与电荷控制传统电压闭环的simulink动态特性仿真。图3a、3b为LLC谐振变换器输入电压275V、闭环控制输出电压20V，分别采用电荷控制传统电压闭环与预测电荷控制电压闭环这两种控制方式，在2ms时刻负载从0.6Ω突变为0.4Ω的动态响应波形。图4a、4b为LLC谐振变换器闭环控制输出电压20V，分别采用电荷控制传统电压闭环与预测电荷控制电压闭环这两种控制方式，在3ms时刻输入电压由275V切换到250V的动态响应波形。如图3a、3b、4a、4b所示，在负载切换与输入电压变化的动态实验中，电荷控制传统电压闭环动态响应时间为0.15-0.2ms，而预测电荷控制电压闭环动态响应时间几乎为零，输出电压与谐振电容电压在一个周期内就完成了状态的瞬变，重新回到稳态。可见本发明所提预测电荷控制方法在各种工况下都具有优良的动态特性，可在一个周期内强制谐振腔进入稳定状态，并且不影响系统的稳态性能，如稳态误差、效率与输出电压纹波等。

另外，最大开关频率发生在最大输入电压和轻负载时刻，最小开关频率发生在最小输入电压和满载时刻。LLC电路特性决定了其在工作频率范围内输入阻抗呈现为感性，所以电流滞后于电压，可实现初级侧开关管零电压开通(ZVS)，降低损耗。因此，本发明方法仍具有软开关特性。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。