一种交错并联LLC电路的均流调节方法

摘要

本发明公开了一种交错并联LLC电路的均流调节方法，交错并联LLC电路包括交错并联的复数条LLC支路，实时检测各LLC支路的电流差值或电压差值，得到误差因子e；根据误差因子e，通过负反馈调节各LLC支路的占空比D，改变各LLC支路的增益，实现交错并联LLC电路的均流调节。本发明通过实时检测各LLC支路的不均流差值，进行运算，得到占空比的调节量，能实现对不同并联LLC电路的均流控制。

说明书

[技术领域]

本发明涉及交错并联LLC电路，尤其涉及一种交错并联LLC电路的均流调节方法。

[背景技术]

LLC电路可以谐振开关频率附近可以实现全负载范围的软开关，因此可以通过高的开关频率实现高功率密度，其应用也越来越广。但是在大功率应用场合，磁性元器件加大，输出电流纹波大，需要大的输出滤波电容，最终的结果就是导致功率密度下降，成本增加。为了解决这一问题，产生了多路LLC电路的交错串并，其中最常见的拓扑方式便是两路LLC的交错并联。LLC的交错并联，使得并联的多路LLC保持相同开关频率，相互错开一定相位，使得输出电流纹波大大减小。在设计中，采用交错并联LLC拓扑可以大大提高功率密度，节约成本。

但是交错并联LLC拓扑，会带来多路均流的问题。因为多路元器件的磁性器件很难做到完全一致，包括其他开关器件的寄生参数的差异等等，经常会导致几路并联LLC的不均流。不均流会导致其中的过流的支路发热过大，带来器件损坏的风险。对于LLC电路最常见的控制方法便是PFM控制，但是由于交错保持了多路的同频，使得多路交错并联LLC的均流实现成为难点。

最常见的三种LLC并联方式：输入并联输出并联、输入串联输出并联、输入并联输出串联。

公开号为CN103780081A的发明公开了一种交错式LLC均流变换器。所述交错式LLC均流变换器包括：交错式LLC电路，由偶数个LLC电路并联构成；和与所述LLC电路相同个数的多个绕组，其中：每个所述LLC电路的输出直流侧的第一极性端共同构成第一输出端；每个所述绕组的第一端共同构成第二输出端；所述多个绕组中的第一半数以第一方向环绕磁芯，所述多个绕组中的第二半数以第二方向环绕所述磁芯；每个所述多个绕组的感值相等，并且所述多个绕组中的第一半数与所述多个绕组中的第二半数构成反向耦合；和每个所述LLC电路的输出直流侧的第二极性端与一个所述绕组的第二端相连接。其均流实现通过副边输出电感的反向耦合，以实现输出电流的一个负反馈。这种拓扑电路，能够实现输入并联，输出并联的多路LLC的均流。但是此拓扑需要输出耦合电感，增加了电路的复杂性、成本和体积。

公开号为CN102013806A的发明公开了一种适合于高压输入大功率输出的DC/DC变换器，包括两个输入分压电容串联组成输入分压电路、第一谐振变换器、第二谐振变换器以及两个谐振变换器共用的输出滤波电容，其中，所述第一谐振变换器和第二谐振变换器采用LLC串联谐振电路；第一输入分压电容的两端连接第一谐振变换器的输入端，所述第一谐振变换器的输出端连接输出滤波电容；第二输入分压电容的两端连接第二谐振变换器的输入端，所述第二谐振变换器的输出端连接输出滤波电容。本发明能够有效降低开关管的电压等级、降低成本、减少开关损耗，且能有效实现了两个谐振变换器间的静态和动态均流性能，提高了可靠性。该发明两路LLC的输入分别并联一个容值相等的电容，两个电容串联实现电容两端电压动态均衡，输出电流相同，因此能实现两路LLC的均流均功率。

公告号为CN205212708U)的实用新型公开了一种LLC谐振变换器电路，其包括：整流桥；多个谐振变换器单元，所述多个谐振变换器单元共用一个直流源，所述多个谐振变换器单元的输出端串联连接后与所述整流桥的输入端相连以使每个谐振变换器单元的输出实现均流。该LLC谐振变换器电路能够解决LLC并联谐振变换器电路的不均流问题，并且无需增加过多的半导体元器件，还可以减少磁性元器件的体积、高度，提高变换器的功率密度。该实用新型的均流方式通过输出多路的串联，实现输出电流的均流。但是多路仍然保持同频控制，这样硬件特性不一致，带来的差异会反映在各路的输出电压上。因此各路的功率仍然有差异性，输入端的各路输入电流也会不均，不能解决根本问题。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种能对不同并联方式LLC电路实现均流控制的交错并联LLC电路的均流调节方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种交错并联LLC电路的均流调节方法，交错并联LLC电路包括交错并联的复数条LLC支路，实时检测各LLC支路的电流差值或电压差值，得到误差因子e；根据误差因子e，通过负反馈调节各LLC支路的占空比D，改变各LLC支路的增益，实现交错并联LLC电路的均流调节。

以上所述的均流调节方法，对于输入并联、输出并联的LLC电路通过检测各LLC支路的输入电流或输出电流得到误差因子e；对于输入串联、输出并联的LLC电路通过检测各LLC支路的输入电压或输出电流得到误差因子e；对于输入并联输出串联的LLC电路、通过检测各LLC支路的输入电流或输出电压得到误差因子e。

以上所述的均流调节方法，对于输入并联、输出并联的LLC电路，LLC支路为N条时，任意一条LLC支路的误差因子(i＝1～N，i为整数)；I为LLC支路谐振腔的输入电流或LLC支路的输出电流；对于输入串联、输出并联的LLC电路，LLC支路为N条时，任意一条LLC支路的误差因子或(i＝1～N，i为整数)；V为LLC支路谐振腔的的输入电压，I为LLC支路的输出电流；对于输入并联、输出串联的LLC电路，LLC支路为N条时，任意一条LLC支路的误差因子或(i＝1～N，i为整数)；I为LLC支路谐振腔的输入电流，V为LLC支路的输出电压。

以上所述的均流调节方法，任一LLC支路的占空比Di(n)＝Di(n-1)-di(n)，Di(n-1)为该LLC支路上次的占空比；该LLC支路本次的均流调节因子di(n)通过数字PI计算得到，di(n)＝di(n-1)+Kp×ei(n)+Ki×ei(n)；其中，di(n-1)为该LLC支路上次的均流调节因子，Kp为PI控制器的比例系数，Ki为PI控制器的积分系数，ei为该LLC支路的误差因子。

以上所述的均流调节方法，在计算LLC支路本次的均流调节因子di(n)之前，首先对误差因子进行限幅判断，若ei<Emin，则令ei＝0，Emin为误差因子限值；对误差因子进行限幅判断后，再判断各LLC支路的功率Pi(n)是否超过功率限幅值，若不超过功率限幅值，则令di(n)＝0。

本发明通过实时检测各LLC支路的不均流差值，进行运算，得到占空比的调节量，能实现对不同并联方式LLC电路的均流控制。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术FM调频模式下LLC电压增益图。

图2是本发明实施例PM调占空比模式下LLC电压增益图。

图3是本发明实施例1输入并联、输出并联LLC电路的电路图。

图4是本发明实施例2输入串联、输出并联LLC电路的电路图。

图5是本发明实施例3输入并联、输出串联LLC电路的电路图。

图6是本发明实施例两路占空比均流调节的控制流程图。

图7是本发明实施例1均流调节前两路谐振电流和占空比波形图。

图8是本发明实施例1均流调节后两路谐振电流和占空比波形图。

图9是本发明实施例多路占空比均流调节的控制流程图。

[具体实施方式]

为了实现交错并联的高功率密度，本发明提出一种适用于三种LLC并联方式电路的均流控制方法。交错并联的LLC电路能满足大功率的高功率密度输出，通过控制调制实现并联的多路均流，保证了功率分摊和拓扑的可靠性。

在LLC拓扑电路中，通常通过调节谐振腔的谐振频率，来实现对输入输出增益的调节，也就是FM调节方法。其电压增益如下：

其中，为励磁电感与谐振电感比值，为谐振频率，品质因数，L_m为励磁电感，L_r为谐振电感，C_r为谐振电容，R_r为负载电阻。根据不同K、Q值可以得到其与开关频率f的增益曲线如图1所示，在图1中，通常在设计上选取电路工作在f_r＜f＜f_max的增益单调区间。

但是两路并联交错为了实现最小的输出电流纹波，需要保持两路开关频率一致。在这种情况下，为了克服两路并联电路本身的硬件特性差异带来的不均流，需要加入两路的增益调节因子。在LLC电路中，工作在谐振频率点，且K、Q值固定时，其占空比电压增益关系近似为：

其中D为工作占空比。可以得到其电压增益曲线如图2所示。可知当占空比取值区间为Dmin＜D＜Dmax＜0.5时，其电压增益单调。

本发明解决两路交错并联LLC均流所采用的技术方案是：实时检测两路交错并联LLC误差因子e，然后通过负反馈调节两路并联LLC的占空比D，实现对其增益的改变。对于两路交错并联LLC的不同并联方式均能实现均流调节。两路LLC并联方式主要有输入并联输出并联、输入串联输出并联、输入并联输出串联。输入并联输出并联电路可以通过检测两路输入电流或者两路输出电流的差值得到误差因子e；输入串联输出并联电路可以通过检测两路输入电压差值或两路输出电流差值得到误差因子e；输入并联输出串联电路可以通过检测两路输入电流差值或者两路输出电压差值得到误差因子e。误差因子e通过数字PI控制器的结果分别得到两个负反馈占空比调节量。通过两路的占空比的差异对电压增益进行调节，从而实现两路均流。

本发明的实施例1如图3所示，展示了一种输入并联、输出并联LLC电路。11、12分别是两路LLC电路，其输入并联，输出并联后接负载。在11中，Q1和Q2为半桥LLC的开关管，Lr1和Cr1为谐振电感和谐振电容。T1为变压器，其次级绕组接全桥整流器D1、D2、D3、D4。Co1为输出滤波电容，Ro1为输出负载。ir1为第一路输入谐振腔电流，io1为第一路输出电流。12的电路结构和组成与11相同。两路LLC电路通过同频错相控制实现交错输出，输出纹波电流小。两路交错错相π/2。两路的均流误差因子可以为e＝ir1-ir2或e＝io1-io2。在本实施例中，取e＝ir1-ir2。对均流因子的具体控制方法如图6。首先对误差因子进行限幅判断，若e<Emin，则令e＝0。Emin为误差因子限值，当误差因子值在限值内不做进一步调节，防止过调节。本实施例中取Emin＝额定输出电流的3％。误差因子经过数字PI计算d(n)＝d(n-1)+Kp×e(n)+Ki×e(n)，得到均流调节因子。其中d(n)为本次均流调节因子，d(n-1)为上次均流调节因子。Kp、Ki分别为PI控制器的比例系数和积分系数。对本次均流调节因子d(n)进行限幅处理(使其绝对值小于限幅值Dmax)后，判断第一二两路功率P1(n)、P2(n)是否超过单路功率限幅值PLimit,若不超过单路功率限幅值，则令d(n)＝0。本实施例中PLimit取30％单路额定总输出功率。通过均流调节因子d(n)分别得到第一二路占空比为：D1(n)＝D1(n-1)-d(n)、D2(n)＝D2(n-1)+d(n)。并且对D1(n)、D2(n)进行限幅，不超过0-0.5的范围，Ddead为死区时间。图7所示为本实施例中均流调节前两路谐振电流和占空比波形，在开关频率和占空比相同情况下，ir1比ir2大1A。图8为本实施例中均流调节后两路谐振电流和占空比波形，开关频率相同，D1＝0.4176,、D2＝0.4569，ir1＝10.075A、ir1＝9.891A.两路LLC经过均流调节后电流差值由1A(10％)降到0.2A(2％)，较好的实现了均流。

本发明的实施例2如图4所示，展示了一种输入串联、输出并联LLC电路。13、14分别是两路LLC电路，其输入分别接输入电容Cin1和Cin2。输入电容Cin1和Cin2两端电压分别为Vin1和Vin2，Cin1和Cin2串联。两路LLC电路输出并联接输出电容Co1和负载Ro1.两路LLC电路13、14的电路结构和组成与11相同。两路LLC电路通过同频错相控制实现交错输出，输出纹波电流小。两路交错错相π/2。两路的均流误差因子可以为e＝Vin1-Vin2或e＝io1-io2。在本实施例中，取e＝Vin1-Vin2。对均流因子的具体控制方法如图6。均流误差因子经过运算后得到均流调节因子分别调节第一二路占空比实现均流。

本发明的实施例3如图5所示，展示了一种输入并联输出串联LLC电路。15、16分别是两路LLC电路，其输出分别接输出电容Co1和Co2。输出电容Co1和Co2两端电压分别为Vo1和Vo2，Co1和Co2串联后接负载Ro1。两路LLC电路输入并联.两路LLC电路15、16的电路结构和组成与11相同。两路LLC电路通过同频错相控制实现交错输出，输出纹波电流小。两路交错错相π/2。两路的均流误差因子可以为e＝Vo1-Vo2或e＝ir1-ir2。在本实施例中，取e＝Vo1-Vo2。对均流因子的具体控制方法如图6。均流误差因子经过运算后得到均流调节因子分别调节第一二路占空比实现均流。

在本发明以上三个实施例中两路交错错相π/2，但也可以为其他错相值，只是错相π/2能最优实现输出电流纹波小。

在本发明的三个实施例中的数字PI控制器也可以令比例因子Kp＝0,只保留积分调节。

在本发明的三个实施例中PLimit取30％单路额定总输出功率，也可以取0、100％或其他单路额定总输出功率。

在本发明的三个实施例中均是应用于两路LLC电路并联，本发明也可以应用于多路LLC并联电路中交错并联均流。在N路LLC并联电路中，其相互错相值为π/N。

对于输入并联、输出并联的LLC电路，LLC支路为N条时，任意一条LLC支路的误差因子(i＝1～N，i为整数)；I为LLC支路谐振腔的输入电流或LLC支路的输出电流；对于输入串联、输出并联的LLC电路，LLC支路为N条时，任意一条LLC支路的误差因子或(i＝1～N，i为整数)；V为LLC支路谐振腔的的输入电压，I为LLC支路的输出电流；对于输入并联、输出串联的LLC电路，LLC支路为N条时，任意一条LLC支路的误差因子或(i＝1～N，i为整数)；I为LLC支路谐振腔的输入电流，V为LLC支路的输出电压。

任一LLC支路的占空比Di(n)＝Di(n-1)-di(n)，Di(n-1)为该LLC支路上次的占空比；该LLC支路本次的均流调节因子di(n)通过数字PI计算得到，di(n)＝di(n-1)+Kp×ei(n)+Ki×ei(n)；其中，di(n-1)为该LLC支路上次的均流调节因子，Kp为PI控制器的比例系数，Ki为PI控制器的积分系数，ei为该LLC支路的误差因子。

多路LLC并联电路均流调节的控制方法与两路并联LLC电路均流控制方法略有不同。每一路LLC电路都需分别进行图9中的均流调节。图9中的第i路误差因子Pi(n)为该LLC支路当前功率。第N路误差因子经过运算后得到均流调节因子di(n)和占空比Di(n)＝Di(n)-di(n)。每一路分别进行计算和调节实现N路均流。

本发明以上实施例的有益效果是，通过在并联LLC电路中使用同频交错实现输出电流纹波小，滤波电容小；通过实时检测两路的不均流差值，进行数字PI运算，得到占空比的调节量，能实现对不同并联LLC电路的均流控制。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员通过本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。