一种原边反馈半桥LLC谐振变换器输出电流预测系统

技术领域

本发明涉及隔离型变换器技术领域，尤其涉及一种原边反馈半桥LLC谐振变换器输出电流预测系统。

背景技术

随着技术发展，开关电源广泛应用于中小功率场合，隔离型开关电源通过变压器能实现输入与输出的电气隔离，具有安全隔离及可靠性高的特点。LLC谐振变换器在提高开关工作频率、减小无源器件体积、提高功率输出密度方面相比于普通串联谐振变换器有无可比拟的优势。基于原边反馈技术的半桥LLC谐振变换器相比于传统基于副边反馈技术的半桥LLC谐振变换器其电路结构更为简单，并且无需使用光耦等非线性器件，其可靠性、寿命及集成度等均可以进一步得到提升。

在传统的PSR输出电流预测方法，所研究的电源电流波形多为线性，而LLC谐振变换器因其电流存在显著非线性，使得传统基于线性电流的PSR输出电流预测方法在LLC谐振变换器中无法直接应用，所以研究适用于存在非线性电流的LLC谐振变换器的PSR输出电流预测方法对提高电路可靠性、降低电路实现成本具有重要意义。目前现有的采样电阻降低了变换器系统的效率，在采样模块中可能需要高速的ADC来采样变化的电流，给系统带来了较高的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原边反馈半桥LLC谐振变换器输出电流预测系统，简化电路控制，通过输入侧电容电压实现输出侧电流预测，具有降低系统损耗、简化电路实现难度等优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种原边反馈半桥LLC谐振变换器输出电流预测系统，包括主拓扑电路和闭环控制系统，主拓扑电路采用原边反馈和LLC谐振变换器结构，所述闭环控制系统包括谐振电容电压采样模块、输出电流预测模块、环路控制模块，谐振电容电压采样模块用于采集谐振电容Cr上电压值Vcr并输出至输出电流预测模块，输出电流预测模块根据电压值和开关管控制信号得到负载平均电流并输出至环路控制模块，环路控制模块输出为开关管M

进一步地，所提出的谐振电容电压采样模块采用分压采样方法，使用分压电路将输入电压降低至符合要求的模拟电压信号，通过模拟电路进行信号计算处理或者通过ADC模块将模拟信号转换成数字信号后进行计算处理。

进一步地，所述谐振电容电压采样模块的输出信号Vcr_s正比于输入信号Vcr，即Vcr_s＝k*Vcr，其中，k为比例系数。

进一步地，所述分压电路通过两个分压电阻R

其中，N为ADC模块采样位数，V

进一步地，所述输出电流预测模块基于输入信号计算谐振电流i

进一步地，谐振电流的计算包括：

定义单个开关周期中五个时刻t

基于电压Vcr确定谐振电流为：

进一步地，所述励磁电流为：

i

进一步地，所述负载平均电流i

其中T为周期，二极管电流i

进一步地，所述环路控制模块包括开关控制模块和环路控制算法模块，环路控制算法模块控制输出电流Io等于所需实现的目标参考电流I

进一步地，所述环路控制算法采用PID控制算法。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)本发明采用原边反馈控制系统，通过输入侧电容电压实现输出侧电流预测，具体通过电压采样模块，使用电阻分压、电容分压等方法测得谐振电容Cr上电压值Vcr输入至闭环控制系统，无需增加电路复杂度；并可以在无需采样电阻的条件下，仍可预测得到较高精度的输出电流，其具有成本低、控制简单等优点；

(2)本发明通过电容电压预测相关电流波形，能够推广适用于其它隔离式或者非隔离开关电源电路结构，具备通用性、可复用性和可移植性。

附图说明

图1是原边反馈半桥LLC谐振变换器电路拓扑与环路控制示意图。

图2是原边反馈半桥LLC谐振变换器输出电流预测模块关键波形图。

图3(a)是电压采样模块示意图，图3(b)是谐振电容Cr上电压值Vcr、Vcr_s波形图。

图4(a)是电流预测模块关键信号波形仿真结果示意图，图4(b)是谐振电容Cr上电压值波形仿真结果示意图，图4(c)是i

具体实施方式

下面将结合附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，一种原边反馈半桥LLC谐振变换器输出电流预测系统，该系统包括主拓扑电路和闭环控制系统两部分。主拓扑电路采用原边反馈和LLC谐振变换器结构，其结构为：输入直流电压负端接输入地端，输入直流电压正端接开关管M

所提出的闭环控制系统的输入信号为谐振电容Cr上电压值Vcr，输出信号为开关管的控制信号duty

所提出的谐振电容电压采样模块，其输入采样信号为Cr上电压值Vcr，输出为Vcr的采样结果Vcr_s，并将Vcr_s传递给输出电流预测模块。大电压信号采样模块采用分压采样方法，使用分压电路将较高的输入电压降低至合适的较低模拟电压信号，通过模拟电路进行信号计算处理或者通过ADC模块将模拟信号转换成数字信号后进行计算处理。输出信号Vcr_s正比于输入信号Vcr，两者比例关系满足Vcr_s＝k*Vcr。其中，k为常数。

输出电流预测模块，其输入为Vcr_s、duty

①定义单个开关周期中五个时刻t

考虑到输入电流i

通过Vcr(t)电压信号，可以推导出i

i

Vcr电压信号可表示为：

其中，ω可由t

由于Vcr(t)数值可由Vcr_s(t)测得，通过上述公式(3)、(4)可计算得出I

即得出i

②在duty

已知两点坐标(t

已知(t

③输出二极管电流i

i

输出负载平均电流i

其中T为周期。

通过环路控制算法设计使得i

本发明能够通过原边反馈控制方法，测量谐振电容Cr上电压值Vcr对输出电流进行精准预测，减少了采样电阻的使用，降低了系统的损耗。

实施例

下面以输入直流电压400V，输出电压60V，输出电流1.3A为例子进行介绍分析。

原边反馈半桥LLC谐振变换器主拓扑电路参数如下表所示：

图2是原边反馈半桥LLC谐振变换器输出电流预测模块关键波形图，从上到下依次为duty

图3(a)是一种电压采样模块实现方式，其通过分压电阻R

假定分压电阻分别为R

Vcr_s＝k×Vcr

图3(b)是谐振电容Cr上电压值Vcr、Vcr_s波形图，已知分压电阻R

图4(a)是电流预测模块关键信号波形仿真结果示意图，从上到下依次为duty

图4(b)是谐振电容Cr上电压值波形仿真结果示意图。从仿真结果可看出单个开关周期五个时刻t

图4(c)是i

图4(d)是i

图4(e)是i

图4(f)是i

图4(g)是i

通过对比观察，仿真的波形和理论分析相一致。证明了本专利中提出的输出电流预测算法的可行性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，在此描述的本发明可以有许多变化，在其他开关电源中都可以使用恒流算法控制，这种变化不能人为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都应包括在本权利要求书的涵盖范围之内。