一种LCC谐振变换器的暂态功率调节控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种脉冲负载下lcc谐振变换器的暂态功率调节控制方法。

背景技术：

近年来，随着科学技术与信息技术的高速发展，负载对电源的要求越来越多样化，目前，军工、医疗和科研上的不同设备，如电磁弹射、电镀电源、医用灭菌和食品保鲜等方面，都需要脉冲电源的支持，随着技术的发展，各种新型负载对功率脉冲电源的脉冲电压幅值、波形稳定性等提出了更高的要求。

lcc串并联谐振变换器是一种应用于高压直流电源的典型拓扑，通过利用分布电容实现全负载情况下的软开关，以提高变换器的工作效率。但其幅频特性受开关频率及负载大小影响，在较宽的工作范围下，难以得到良好的动态响应，特别是在宽增益及负载变动较大的工况中，lcc谐振变换器动态响应较慢，稳态精度低甚至输出电压不稳定。

经典pi控制方法是误差驱动的，受积分环节影响，在上述工况下，只有输出电压出现明显偏差后，pi控制的反馈调节机制才会生效，除了对功率波形的响应存在延迟，导致母线电压下跌外，pi控制下输出电压的暂态过程还会导致一定的波动和超调，而这些电压的暂态变化都会反映在输出的脉冲电压波形中，导致在对输出电压的波动范围要求严格的应用场景中，传统控制方法的应用受到很大局限。

谐振变换器的关键特征是谐振腔处存在高频、大幅值的谐振电压、电流，有效控制这些高频谐振行为是改善变换器动态响应、降低无源器件和变压器电应力以及提高变换器可靠性的关键。

从能量观点看，变换器输出电压的波动，本质上是由于传输功率和负载功率的不匹配造成的，在负载功率发生波动、而变换器的传输功率未被及时调整，传输功率中过剩或亏损的部分将被输出电容吞吐，导致输出电压泵升或跌落，如果能对负载功率的阶跃做出及时的辨识，并通过有效控制谐振腔的高频行为使传输功率与负载功率迅速匹配，就能对输出电压的动态特性实现本质上的改善。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种脉冲负载下具有快速动态响应的lcc谐振变换器的控制方法，为了实现变换器在负载切换过程中输出电压的稳定，实现负载的平滑切换，本发明提出了一种谐振型lcc直流变换器的暂态功率快速匹配的控制方法，包括：

步骤1：对变换器的输入电压、输出电压、输出电流进行采集转换；

步骤2：根据步骤1采集的数据对变换器工况进行判断，若当前控制周期较上一控制周期的输出电压参考值未发生改变、输出电压未发生明显改变而输出电流发生明显改变则选择暂态功率调节控制算法，否则选择离散pi算法，然后计算变换器不同开关组态的持续时间；

步骤3：根据步骤2计算得到的组态持续时间控制切换变换器的开关动作；

步骤4：暂态功率调节控制算法执行完毕后，将离散pi算法中的误差积分值重置为新的稳态移相比和积分系数的比值。

所述暂态功率调节控制算法，pn-po-pp、po-pn-po稳态轨迹内或轨迹之间，具有两种暂态过渡轨迹：pn-po-pp-np、pn-po-no-np，其暂态轨迹判别方法为：根据工况计算原稳态pn轨迹半径rold、新稳态pn轨迹半径rnew，根据rold计算po轨迹终值spo.end，若spo.end≥rnew，则暂态轨迹为pn-po-no-np，若spo.end≤rnew，根据spo.end计算pp轨迹终值spp.end，若spp.end≥rnew，则暂态轨迹为为pn-po-pp-np，否则在pp终点切换开关组态，进入下半周期重新开始暂态轨迹判断。

所述暂态功率调节控制算法在输出电压恒定、而负载功率的大小由于脉冲负载发生剧烈波动时，根据变动前的开关频率、变动后的功率所对应的开关频率，结合变换器的设计参数以及变换器的输出电压参考值，计算使变换器的传输功率沿时间最优轨迹调整至新功率的两个暂态开关组态的持续时间；根据新的稳态开关频率计算过渡完成后的稳态开关组态持续时间。

变换器进入暂态过渡过程的起始开关组态后，刷新各开关组态的持续时间为暂态过渡开关组态持续时间，当暂态开关组态的持续时间与新的稳态开关组态持续时间相差小于阈值时，结束暂态过渡过程，将开关组态持续时间刷新为新稳态时间，将控制权交于离散pi算法，消除计算误差。

所述方法还包括：对于每一控制周期，只有控制器判断需要在维持输出电压恒定的条件下修改传输功率时，才选择暂态调节控制算法，否则选择离散pi算法；当暂态功率调节控制算法将控制权交还给离散pi算法时，须重置误差积分值。

所述方法特征在于，所述暂态功率调节控制算法通过对输出电压指令、变换器端口电压、电流的采样值进行处理，通过暂态功率调节控制算法或离散pi算法得到状态组态定时指令t1,3和t2,4，进而控制变换器的开关动作，以达到预期控制效果。

本发明的预期效果：

1.将基于状态轨迹控制的暂态功率调节控制算法和传统pi控制算法相结合，在输出电压恒定、负载功率发生变化时，根据变频控制下变换器的控制自由度，使传输功率和负载功率在1个开关周期内快速匹配，实现输出电压的快速稳定。

2.由于传输功率和负载功率的快速匹配，基本消除了负载功率变化导致输出电压变化的暂态过程，减小了变换器中谐振电感、谐振电容和输出电容的应力，提高了设备的可靠性。

3.由于传输功率和输出功率可在输出电压几乎不发生改变的情况下实现快速匹配，输出电容在暂态过程中的能量变化相比传统控制方法明显减小，故输出电容可选择更小容值的输出电容，实现更高的功率密度。

4.其他工况的调节过程由pi控制算法完成，两种控制算法的有效配合，既实现了负载的快速平滑切换，也消除了暂态算法带来的计算误差，可让变换器在综合工况下安全可靠运行。

附图说明

图1.lcc谐振变换器的原理图电路

图2.lcc谐振变换器的6种工作模态

图3.lcc谐振变换器在pn-po-pp-np-no-nn工作模式下的稳态波形和状态轨迹

图4.lcc谐振变换器在po-pn-po-no-np-no工作模式下的稳态波形和状态轨迹

图5.lcc谐振变换器的时间最优暂态轨迹

图6.切换轨迹为pn-po-pp-np的暂态轨迹

图7.切换轨迹为pn-po-no-np的暂态轨迹

图8.整体控制系统的分层逻辑结构

图9.主控制器中暂态功率调节控制算法与pi算法的协同规则

图10.暂态功率调节控制算法

具体实施方式

下面结合附图对实施例作详细说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

1、对lcc串并联谐振腔的状态轨迹分析

对图1所示的lcc串并联谐振变换器，记谐振频率：

并记开关频率和谐振频率的比值为：

fn＝fs/fr(2)

在变频控制下，变换器共有6种开关模态，每种开关模态下，定义逆变器s1s3开通或者整流桥d1d3导通时为正(p)，逆变器s2s4开通或者整流桥d2d4导通时为负(n)，并联电容未被箝位时三元件谐振，为o,如图2所示。

以vin为基准电压，为基准电流对各电压电流进行归一化，并以下标n指示，并记nc＝cp/cs，可以得到变换器在并联电容箝位下(pp/pn/np/nn)谐振电压、电流的以(vcr0n,vcp0n,ilr0n)为初值的一般表达式：

消去其中的三角函数项，可以得到不同开关模态下的状态轨迹表达式：

同理，可以得到并联电容未箝位(po/no)情况下的以(vcr0n,vcp0n,ilr0n)为初值的一般表达式：

状态轨迹表达式：

表1.lcc串并联谐振在变频调制机制下的正半周期开关组态

考虑zvs特性，正半周期内的工作模态组合选择为pn-po-pp与po-pn-po，在(vcrn+vcpn,ilrn)状态平面中，两种工作模态下的稳态工作波形和相应的稳态轨迹如图3和图4所示，借助稳态工况下的轨迹连续性和对称性，可以求解出各开关动作时刻的谐振电压电流。

正半周期稳态轨迹为pn-po-pp与po-pn-po时，有

(1)pn/np轨迹的半径表达式：

(2)半周期内o模态轨迹总的横坐标变化量：

△x＝2m(1+nc)(8)

2.暂态功率调节控制算法

暂态功率调节控制算法的核心是，根据功率改变前的开关频率fnew和fold，结合变换器的设计参数(lr、cr、cp和n)以及变换器的输入输出电压(vin和vo)，计算变换器的暂态过渡开关模态的持续时间。

状态轨迹分析表明，在元件参数(lr、cr、cp和n)、输入输出电压(vin和vo)和脉宽确定的情况下，变换器的开关频率fs，稳态平均传输功率p、稳态时域波形和稳态状态轨迹具有确定的对应关系。特别地，以开关频率fs为媒介，可建立被上述公式、表格所描述的传输功率和状态轨迹几何特性的定量关系，基于这一关系，变换器的状态轨迹的几何关系可以直接揭示：不同开关频率(或传输功率)所对应的稳态工况之间，存在确定的时间最短的过渡过程，如图5所示。

以正半周期为例，根据暂态轨迹的不同，可归纳为为pn-po-pp-np和pn-po-no-np两种暂态切换轨迹，如图6和图7所示。由式(7)可计算得fnew和fold所对应的稳态轨迹pn/np模态轨迹半径rnew和rold。通过计算完整的po轨迹终值到圆心o2(-1,0)的距离spo.end与rnew的对比，判断为哪种暂态过程：

pn-po-pp-np暂态轨迹：

当spo.end<rnew，表明暂态过程能够经一个完整的po轨迹，如图6所示，原稳态轨迹为abcde，模态切换为pn-po-pp-np，开关组态切换点为c，当进入暂态后，暂态轨迹为abfgh，模态切换为pn-po-pp-np，开关组态切换点为g点；

当rpp+2m(1+nc)<rnew+rold-2时，表明pp模态内无法切入新稳态轨迹，开关组态切换点设置为pp轨迹终值，更新rold，下半周期重新开始计算。

pn-po-no-np暂态轨迹：

当spo.end>rnew，表明，经一个完整的po模态后已越过新稳态轨迹，故开关组态切换点在po轨迹上，如图7所示，原稳态轨迹为abcde，模态切换过程为pn-po-no-np，开关组态切换点为c，当进入暂态后，暂态轨迹为abfgh，模态切换过程为pn-po-no-np，开关组态切换点为f点。

暂态功率调节控制算法中，其核心是根据“传输功率-状态轨迹”关系，求解实现由fold所对应的稳态工况到fnew所对应的稳态工况的开关动作时刻，也就是半周期内原始开关时刻和结束开关时刻的过渡时间，p状态下记为t1.3trans，n状态下记为t2,4trans。

两种暂态过程的t1,3trans的计算过程为：

pn-po-pp-np暂态轨迹组态时间的计算方法：

由轨迹po初始坐标b(1-rold,0)，o模态轨迹横坐标变化量2m(1+nc)，根据式(5)可计算暂态轨迹po模态终点f坐标，通过式(3)可计算pp模态轨迹fg的方程，当pp模态轨迹与o2的距离spp与rnew相等时，交点即开关组态切换点g，通过计算ab、bf、fg的圆心角，最终可计算得t1,3trans；

pn-po-no-np暂态轨迹组态时间的计算方法：

由暂态轨迹np终点h的坐标(rnew-1,0)，po-no轨迹的横坐标△xb-g＝2m(1+nc)，根据式(3)可求得暂态np轨迹初值g坐标，即no模态终值点，结合po初值坐标(1-rold,0),通过式(5)可求得po与no轨迹交点，即开关组态切换点f，通过计算ab、bf、fg的圆心角，最终可计算得t1,3trans。

3.方法执行过程

本发明提出的功率调节控制方法的主控制器的分层逻辑如图8所示，控制逻辑负责判定状态和选择算法，即在每个控制周期根据工况选择离散pi控制或暂态功率调节控制、并对二者进行协调；控制执行负责定时和发出驱动信号，即在主控制器相关指令的指挥下使变换器的开关组态按一定次序和时长切换，其步骤为：

(1)根据对输出电压、电流的采样结果计算切换后的负载功率，并根据变换器的功率传输特性，计算出与之相对应的新的稳态开关频率fnew；

(2)根据功率改变前的频率fnew和fold，结合变换器的设计参数(lr、cr、cp和n)以及变换器的输入输出电压(vin和vo)，计算变换器的两个过渡开关模态的持续时间t1,3trans和t2,4trans，根据新的稳态工况开关频率fnew计算过渡完成后的状态定时指令tnew＝1/(2fnewtclk)；

(3)更新状态定时指令t1,3和t2,4的值为t1,3trans和t2,4trans，当|t1,3trans-tnew|≤△tmax或者|t2,4trans-tnew|≤△tmax时，变换器离开过渡过程，开关组态后更新状态定时指令t1,3和t2,4的值为tnew；

(4)暂态过渡过程结束后，控制权移交离散pi算法，更新状态定时指令t1,3和t2,4，消除稳态误差。

控制逻辑中，协调离散pi控制算法和上述介绍的暂态功率调节控制算法的规则：对每个控制周期，只有当控制器判断变换器需要在维持输出电压恒定的条件下调整传输功率、且输出电压无波动时，选择暂态功率调节控制算法；否则选择离散pi控制算法，每当暂态功率调节控制算法执行完毕后，控制权交于离散pi算法时，都要重置误差积分值，以保证下一控制周期所发出指令的连续性，其具体内容是：

(1)根据输出电压参考值较上一控制周期未发生明显变化，即vo.ref(k)＝vo.ref(k-1)，且当前控制周期采样到的输出电流角上一周期发生明显改变|io(k)-io(k-1)|>△io.max，且当前控制周期的输出电压较上一周期未发生明显改变，即|vo(k)-vo(k-1)|<△vo.max时，选择暂态功率调节控制算法，否则选择离散pi算法；

(2)控制器根据判断结果执行暂态功率调节控制算法或离散pi算法；

(3)暂态功率调节控制算法执行完毕后，为了保证指令的连续性，将离散pi算法中的误差积分值重置为intvo.err(k)＝tnew/ki。

上述内容的阈值△tmax，△io.max，△vo.max应根据实际应用场景和变换器参数具体设计。

暂态功率调节控制算法的执行过程如图10。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。