专利名称：谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制领域，更具体地说，涉及一种谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法和装置。
背景技术：
LLC作为DC/DC变换电路拓扑，通过合理的设计，几乎可以全负载范围实现零电压 开通，在额定态实现副边整流二极管自然过零，几乎没有反向恢复，大大提高变换器效率， 同时正弦电流波形使开关频率的高次谐波分量很小，有利于电磁干扰的设计。其频率增益 曲线如图1所示。从图1可知随着输出电压降低(Gdc下降)、负载减轻，功率变换器的工作频率需 要不断增加，然而由于驱动电路、功率半导体本身、系统资源等方面的限制，功率变换器有 个最高工作频率。当变换器工作到最高频率后，业界大体有三种方式来处理1功率变换器 直接关机、2功率变化器间歇工作、3让功率变换器工作在脉宽调制(PWM)状态来调节功率 变换器的输出。因为前两种方式对功率变换器的性能有很大的影响，所以通过PWM来调节 功率变换器增益为常用方式。常用对称半桥LLC功率变换器拓扑如图2所示。忽略死区时间，常用PWM驱动波 形如图3、4所示。无论功率变换器拓扑使用哪种发波方式，金属氧化物半导体管体二极管 (或反并联二极管)的续流及反向恢复，导致功率变换器在PWM态存在一个明显的非单调区 域。如图5、6所示。从上面两图可以看出PWM1从Dl占空比开始，PWM2从D2开始，其占空 比、增益曲线变的相当平缓。功率变换器工作频率及占空比一般都是由控制器的输出决定，其控制策略如图7 所示。上述的控制策略要想保证良好的控制特性，必须使得功率变换器在整个控制器输出 (Piout)范围内具有良好的单调性。而由图5、6可知，LLC功率变换器在PWM区有一段是不 单调的，实际上全桥LLC及其他谐振电路PWM态都有类似不单调现象。因此上述控制策略 不能很好的解决单调性问题。因此，需要一种功率变换器的控制方法和装置，用于保证功率变换器在整个PWM 工作范围的单调性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的控制器输出不能使LLC功率变换 器及其他谐振拓扑电路在整个PWM工作范围内保持单调的缺陷，提供一种谐振拓扑电路的 功率变换器的控制方法和装置，用于保证功率变换器在整个PWM工作范围的单调性。本发明解决其技术问题的基本思路是因为谐振电路同一个增益有不同频率、占 空比组合，所以可以用单调性好的频率、占空比组合来代替单调性差的频率、占空比组合， 以此来保证功率变换器在整个控制器输出范围内具有良好的单调性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，包括调整功率变换器频率、占空比的组合来保证功率变换器在整个控制器 输出范围内具有良好的单调性。在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，包括a.在控制器输出控制量小于第一设定值时，控制变换器工作频率沿第三曲线变 化、占空比沿第一曲线增加；b.在所述控制器输出控制量增加到等于第一设定值时，控制所述变换器的工作频 率沿第三曲线增加、占空比稳定在第二曲线的第二稳定点，此时控制器输出控制量大于第 一设定值且小于第二设定值；
c.当控制器的输出控制量增加到等于第二设定值时，控制所述变换器的占空比稳 定在第一曲线的第一稳定点、变换器的工作频率沿第三曲线增加。在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，所述第二曲线最大占空 比处的直流增益大于第一曲线上占空比等于功率变换器PWM态保持单调的最大占空比的 点的直流增益。在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，所述第一曲线为duty =Kl*(piout-pioutAmin)；所述第二 曲线为 duty = K2* (piout-pioutBmin)，其中，duty 为功 率变换器的占空比，Piout为控制器的输出控制量，pioutAmin和pioutBmin为第一曲线和第二 曲线的零占空比对应的控制器输出值。在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，Kl = K2。在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，所述第三曲线为控制器 的输出控制量和频率的函数。在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，所述第二曲线的第二稳 定点的直流增益等于第一曲线上占空比等于功率变换器PWM态保持单调的最大占空比的 点的直流增益。在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，所述第一曲线的第一设 定点处的直流增益小于第二曲线上占空比等于功率变换器PWM态保持单调的第二设定点 的直流增益，其中所述第一曲线的第一设定点为所述控制器的输出Piout等于第一设定值 时对应的第一曲线上的点，所述第二曲线的第二设定点为所述控制器的输出Piout等于第 二设定值时对应的第二曲线上的点。在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，，所述第一曲线的斜率 Kl和第二曲线的斜率K2可调。在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，当所述控制器输出控制 量大于第一设定值且小于或等于第二设定值时，控制所述变换器的工作频率稳定在频率稳 定点，所述频率稳定点的频率小于所述控制器输出控制量等于第一设定值时所述变换器的 工作频率。在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，包括a.在控制器输出控制量小于第一设定值时，控制变换器工作频率沿第三曲线变 化、占空比沿第一曲线增加；b.在控制器的输出控制量大于第一设定值时，控制变换器工作频率沿第三曲线变 化、占空比沿第二曲线增加。
在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，所述第一曲线为duty =KlMpiout-piout-J，所述第二 曲线为 duty = K2* (piout_pioutBmin)；其中，duty 为功 率变换器的占空比，Piout为控制器的输出控制量，pioutAmin和pioutBmin为第一曲线和第二 曲线的零占空比对应的控制器输出值，K2 < K1，且此时保证控制器的输出功率位于功率变 换器的功率输出、功率变换器的功率输出与滞环值的差之间时的直流增益大于功率变换器 PWM态保持单调的最大占空比的点的直流增益在本发明所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法中，K2 = O。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种谐振拓扑电路的功率变换 器的控制装置，其特征在于，包括控制模块，用于调整功率变换器频率、占空比的组合来保 证功率变换器在整个控制器输出范围内具有良好的单调性。实施本发明的方法和装置，可以保证谐振拓扑电路的功率变换器在整个PWM工作 范围的单调性。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1是现有技术的功率变换器的增益曲线图；图2是现有技术的功率变换器的基本拓扑电路图；图3是图2示出的功率变换器的PWM驱动波形图；图4是图2示出的功率变换器的又一 PWM驱动波形图；图5是功率变换器在图3示出的PWM驱动波形的驱动下的占空比以及输出电压曲 线图；图6是功率变换器在图4示出的PWM驱动波形的驱动下的占空比以及输出电压曲 线图；图7是现有技术的功率变换器的控制策略图；图8是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法的流程图；图8A是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制装置的逻辑框图；图9是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法的一个实施例的控制策 略图；图10是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法的又一控制策略图；图11是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法的又一控制策略图；图12是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法的又一控制策略图；图13是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法的又一控制策略图。
具体实施例方式因为谐振电路同一个增益有不同频率、占空比组合，所以可以用单调性好的频率、 占空比组合来代替单调性差的频率、占空比组合，以此来保证功率变换器在整个控制器输 出范围内具有良好的单调性。图8是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法的一个实施例，该方法始 于步骤Si。在步骤S2，判定控制器输出控制量是否小于第一设定值。如果是则执行步骤S6，控制所述变换器的工作频率沿第三曲线增加、占空比沿第一曲线增加；否则执行步骤 S3，判定在所述控制器输出控制量是否增加到等于第一设定值。如果是，则执行步骤S7，控 制所述变换器的工作频率沿第三曲线增加、占空比稳定在第二曲线的第二稳定点，否则执 行步骤S4，判定控制器输出控制量增加到第一设定值与第二设定值之间。如果是，则执行 步骤S8，控制变换器的工作频率沿第三曲线增加、占空比沿第二曲线增加。否则执行步骤 S5，判断控制器的输出控制量是否增加到大于或等于第二设定值。如果是则执行步骤S9， 控制所述变换器的占空比稳定在第一曲线的第一稳定点、变换器的工作频率沿第三曲线增 力口，否则执行步骤S2。在整个控制过程中所述第二曲线最大占空比处的直流增益大于第一 曲线上占空比等于功率变换器PWM态保持单调的最大占空比的点的直流增益。所述第二曲 线的第二稳定点的直流增益等于第一曲线上占空比等于功率变换器PWM态保持单调的最 大占空比的点的直流增益。所述第一曲线的第一设定点处的直流增益小于第二曲线上占空 比等于功率变换器PWM态保持单调的第二设定点处的直流增益。图8A是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制装置的逻辑框图。如图所示， 本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制装置，包括控制模块，用于调整功率变换器频 率、占空比的组合来保证功率变换器在整个控制器输出范围内具有良好的单调性。图9是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法的一个实施例的控制策 略图。在图9中，Kl= K2 = K，其中K1、K2可以按照功率变换器的需要取任意值。本领域 技术人员了解并能熟练应用常规技术方法获得Kl和Κ2的取值。Ts min 变换器能够工作的最小周期，即最大工作频率；Ts max 变换器能够工作的最大周期，即最小工作频率；Duty A max 变换器PWM态保持单调的最大占空比；Piout 变换器控制器输出；Ts 由Piout决定的转换器工作周期；Duty 由Piout决定的转换器工作占空比；其控制原理如下1、当控制器输出Piout小于Pioutl时，变换器工作在最大频率，占空比沿曲线A 增加，即由式duty = K* (piout-pioutA min)确定，必须保证此区域变换器PWM态是单调的；2当控制器输出等于Pioutl时，将曲线A与横坐标的截距Piout A min改为PioutB min，变换到曲线B，即占空比由式duty = K*(piout-pioutB min)确定，然后，变换器在环路的 作用下，稳定在曲线B上的一点，该点增益等于曲线A上duty等于Duty A max点的增益。 随着Piout的增加，变换器占空比沿曲线B增加。变换器的工作频率由Ts曲线决定。Ts曲 线为控制器的输出控制量和频率的函数。本领域技术人员了解并能熟练应用常规技术方法 获得Ts曲线。3当控制器输出等于Piout2时，占空比已经沿曲线B增加到Duty Amax，将截距再 改回Piout A min，变换到曲线A，同样，变换器在环路的作用下，稳定在曲线A的某处，该点 增益等于曲线B上duty等于DutyAmax点的增益。在此控制策略中，关键是保证曲线B最大占空比处(Ts B min/Duty Amax% )的增 益基本上大于或等于曲线A的最大占空比处(Ts min/50%)，这样，就能避免变换器工作在 DutyAmin% 50%这一段非单调区。从而保证变换器整个Piout范围内的单调性。
对于上述各值，Pioutl、Piout2、Piout Amin、Piout B min，本领域技术人员已知或已 知可获得这些参数的技术方法。图10是本发明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法的又一控制策略图；在该实施例中，第一曲线A的斜率Kl和第二曲线B的斜率K2可调，且Kl兴K2。图11是本发 明的谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法的又一控制策略图。在该实施例中，当功率变 换器工作在曲线B时，固定其周期为Ts B,并且此时，该固定周期TsB大于控制器输出控制 量等于Pioutl时所述变换器的工作频率。其他控制步骤可参见图9和10。由于当占空比大于DutyAmax时，减小曲线A的斜率，即减小调频调宽重叠区内调 宽的加权，以降低调宽不单调对整体单调性的影响，因此提出了新的控制策略(如图12所 示)。在此方案中，当控制器输出Piout < Pioutl时，控制变换器工作频率沿曲线Ts min 增加、占空比沿duty = Kl*(piout-pioutAfflin)增加；在控制器的输出控制量大于第一设定 值时，控制变换器工作频率沿Ts min增加，占空比沿duty = K2*(piout-pioutBmin)增加； 其中，duty为功率变换器的占空比，piout为控制器的输出控制量，pioutAmin和pioutBmin为 第一曲线和第二曲线的零占空比对应的控制器输出值，K2 < Kl，且此时通过功率滞环来切 换，要保证功率等于Po-Pl时需要的增益大于Ts min/50%占空比时的增益。当占空比大于Duty A max时，固定占空比，通过调频来保证单调性，通过功率滞环 来切换，同样保证功率等于Po-Pl时直流增益大于Ts min/50%。控制策略如图13所示，在 该实施例中，K2 = O。本发明的另一个实施例提供了一种机器可读存储器，其上存储有计算机程序。该 程序至少包含一段代码，所述至少一段代码由机器执行使得该机器能够执行本申请中所述 的方法步骤。因此，本发明可以通过硬件、软件，或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的 计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现方法的计算机系统或其它设备都 是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和 执行程序控制计算机系统，使其按方法运行。虽然本发明是以半桥LCC谐振电路为具体实施例进行说明的，本领域技术人员应 当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代，比如将 本发明的发明构思应用到全桥LLC和其他谐振电路中，进而解决其PWM态的不单调现象。因 此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部 实施方式。
权利要求
一种谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，包括调整功率变换器频率、占空比的组合来保证功率变换器在整个控制器输出范围内具有良好的单调性。
2.根据权利要求1所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，包括a.在控制器输出控制量小于第一设定值时，控制变换器工作频率沿第三曲线变化、占 空比沿第一曲线增加；b.在所述控制器输出控制量增加到等于第一设定值时，控制所述变换器的工作频率沿 第三曲线增加、占空比稳定在第二曲线的第二稳定点，此时控制器输出控制量大于第一设 定值且小于第二设定值；c.当控制器的输出控制量增加到等于第二设定值时，控制所述变换器的占空比稳定在 第一曲线的第一稳定点、变换器的工作频率沿第三曲线增加。
3.根据权利要求2所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述第 二曲线最大占空比处的直流增益大于第一曲线上占空比等于功率变换器PWM态保持单调 的最大占空比的点的直流增益。
4.根据权利要求2所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述第 一曲线为 duty = Kl*(piout-pioutAmin)；所述第二 曲线为 duty = K2* (piout-pioutBmin)，其 中，duty为功率变换器的占空比，piout为控制器的输出控制量，pioutAmin和pioutBmin为第 一曲线和第二曲线的零占空比对应的控制器输出值。
5.根据权利要求4所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，Kl=K2。
6.根据权利要求2所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述第 三曲线为控制器的输出控制量和频率的函数。
7.根据权利要求2所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述第 二曲线的第二稳定点的直流增益等于第一曲线上占空比等于功率变换器PWM态保持单调 的最大占空比的点的直流增益。
8.根据权利要求2所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述第 一曲线的第一设定点处的直流增益小于第二曲线上占空比等于功率变换器PWM态保持单 调的第二设定点处的直流增益。
9.根据权利要求2所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述第 一曲线的斜率Kl和第二曲线的斜率Κ2可调。
10.根据权利要求2所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，当所述 控制器输出控制量大于第一设定值且小于或等于第二设定值时，控制所述变换器的工作频 率稳定在频率稳定点，所述频率稳定点的频率小于所述控制器输出控制量等于第一设定值 时所述变换器的工作频率。
11.根据权利要求1所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，包括a.在控制器输出控制量小于第一设定值时，控制变换器工作频率沿第三曲线变化、占 空比沿第一曲线增加；b.在控制器的输出控制量大于第一设定值时，控制变换器工作频率沿第三曲线变化、 占空比沿第二曲线增加。
12.根据权利要求11所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述 第一曲线为 duty = Kl*(piout-pioutAmin)，所述第二 曲线为 duty = K2* (piout-pioutBmin)；其中，duty为功率变换器的占空比，piout为控制器的输出控制量，pioutAmin和pioutBmin为 第一曲线和第二曲线的零占空比对应的控制器输出值，K2 < K1，且此时保证控制器的输出 功率位于功率变换器的功率输出、功率变换器的功率输出与滞环值的差之间时的直流增益 大于功率变换器PWM态保持单调的最大占空比的点的直流增益。
13.根据权利要求11所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法，其特征在于，K2=0.
14.一种谐振拓扑电路的功率变换器的控制装置，其特征在于，包括控制模块，用于调 整功率变换器频率、占空比的组合来保证功率变换器在整个控制器输出范围内具有良好的 单调性。
全文摘要
本发明涉及一种谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法和装置。其中所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法包括调整功率变换器频率、占空比的组合来保证功率变换器在整个控制器输出范围内具有良好的单调性。所述谐振拓扑电路的功率变换器的控制装置，包括控制模块，用于调整功率变换器频率、占空比的组合来保证功率变换器在整个控制器输出范围内具有良好的单调性。实施本发明的方法和装置，可以保证谐振拓扑电路的功率变换器在整个PWM工作范围的单调性。
文档编号H02M3/335GK101814838SQ200910117939
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月19日 优先权日2009年2月19日
发明者陈滨 申请人:艾默生网络能源系统北美公司