一种数字LLC中ZVS的控制方法与流程

本发明涉及一种数字LLC中ZVS的控制方法，属于LLC电路技术领域。

背景技术：
目前，LLC电路拓扑在大功率整流电路中较为常见，其优良的软开关特性可以大幅减小电源的开关损耗，提供能量的传输效率，显著降低电源的噪声和EMI，是目前使用最普遍的大功率拓扑之一。市场上中小功率充电机采用全桥LLC拓扑为主，如图1所示，为了实现ZVS，设计上需要固定一个死区时间(Tdead)来实现ZVS；此时满足ZVS的开关频率可以通过公式(1)计算得出：其中Tdead为死区时间，fs为实现ZVS的开关频率，Vo为LLC输出电压，Vin为LLC输入电压，N为变压器匝比，Coss为原边MOS管的等效输出电容，Lp为变压器励磁感量。通过公式(1)可知，在Vin、Vo、N、Coss、Lp固定时，Tdead与fs成正比关系。目前LLC电路拓扑工作时死区时间是固定的，决定了其存在如下问题：1)死区固定，可实现ZVS的频率范围就固定，不能提高工作频率；2)在工作频率低于fs时，Tdead没有相应的减少，此时会增加MOS管寄生体二极管的导通损耗，且离fs越远，寄生体二极管的导通损耗越多，从而影响了整体的效率。目前电源产品市场上，LLC拓扑电路主要采用的芯片，有意法半导体的L6599，宏冠的CM6901，飞兆的FSFR2100、FSFR2100，英飞凌的ICE1HS01G、ICE2HS01G，德州仪器(TI)的UCC25600，NXP的TEA1610，安森美(ON)的MC33067、NCP1395等芯片。下面以L6599为代为介绍其ZVS的实现原理。ST的L6599芯片，适用于全桥或半桥LLC拓扑，通过内部高精度振荡器，可以提供最大500kHz的工作频率。通过芯片输出的180°反相、固定50％的占空比，驱动全桥(半桥)电路交替开关。实际工作的占空比包含一个固定的死区时间TD，死区时间内上下臂两只MOS管均关断，正是通过设置的死区时间，确保MOS管能安全开关和ZVS的实现。通过分析可以看到，图2中阴影带标注的为死区时间内，谐振腔电流走向，为负值。假设次电流发生在下管关断、上管即将开通前，那么根据此电流流向，它将反方向给充电电压为VDS的Q1输出结电容COSS1放电(同时给下管电压已经放电至0V的Q2输出结电容COSS2充电)。通过计算及设置好的电路参数，此反向电流能够确保在死区时间tDEAD内将COSS1放电完毕，将COSS2充电完毕(至VDS)。此后Q1在驱动电平作用下开通，Q1开通过程中VDS与ID将不存在交叠，从而实现了ZVS，如图3所示。由图可以看到，LLC工作模式实现了MOS管VDS与ID在开通时的零交叠，实现ZVS，从而减少了开关损耗。以上是ST公司的L6599谐振控制芯片ZVS的实现原理。由于其死区时间是固定的，工作频率范围会受限制，频率低的时候ZVS的实现时也带来了MOS管的能量损耗。模拟控制芯片死区时间在工作时是固定不可调的，工作频率范围会受限制，且频率低的时候ZVS的实现时也带来了MOS管的能量损耗。数字控制将死区加大或分段调控，这样虽然提高了LLC的工作频率，但低频ZVS时MOS管的能量损耗问题依然存在。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种数字LLC中ZVS的控制方法，以解决目前数字LLC中由于死区固定导致可实现ZVS的频率范围固定以及低频ZVS时MOS管的能量损耗问题。本发明为解决上述技术问题而提供一种数字LLC中ZVS的控制方法，该控制方法采用双闭环控制，外环为电流环，内环为电压环，外环以LLC输出电流Io为反馈量，以设定参考值Iref为电流给定量，根据Iref与Io的差值进行PI调节输出Vo_ref，内环以输出的Vo_ref为电压给定量，以LLC输出电压Vo为反馈，根据Vo_ref与Vo的差值进行PI调节输出得到开关频率fs，根据死区时间Tdead和fs的关系计算死区时间Tdead，利用死去时间Tdead对LLC进行PWM控制。所述的死区时间和实现ZVS的开关频率fs之间的关系为：其中Tdead为死区时间，fs为实现ZVS的开关频率，Vo为LLC输出电压，Vin为LLC输入电压，N为变压器匝比，Coss为原边MOS管的等效输出电容，Lp为变压器励磁感量。所述的双闭环控制过程由DSP实现。本发明的有益效果是:本发明采用双闭环控制，外环为电流环，内环为电压环，外环以LLC输出电流Io为反馈量，以设定参考值Iref为电流给定量，根据Iref与Io的差值进行PI调节输出Vo_ref，内环以输出的Vo_ref为电压给定量，以LLC输出电压Vo为反馈，根据Vo_ref与Vo的差值进行PI调节输出得到开关频率fs，根据死区时间Tdead和fs的关系计算死区时间Tdead，利用死去时间Tdead对LLC进行PWM控制。通过本发明的数字LLC中ZVS的控制方法，实现了实时调节死区的方法，既提高了LLC工作频率，在低频工作又减少了MOS管损耗，实现了最优ZVS。附图说明图1是全桥LLC的拓扑结构示意图；图2是LLC原边输入方波电压及谐振腔电流关系原理示意图；图3是LLC中ZVS的实现原理示意图；图4是PI控制算法流程图；图5是本发明数字LLC中ZVS控制方法的原理图；图6是本发明中数字LLC控制系统的整体结构示意图；图7是本发明实施例中PWM1与PWM2死区互补示意图；图8是本发明实施例中反向恢复电流与PWM1和PWM2的工作原理示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。本实施例以图1中的全桥LLC电路来说明数字LLC中最优ZVS的实现过程。本发明中的数字LLC拓扑采用DSP为控制芯片，如图6所示，DSP控制器包括A/D转换单元、数字处理程序单元和通讯模块，DSP控制器通过对输出电压和输出电流采样做反馈，输入电压输出电流做保护。DSP控制器对输出电压和输出电流采样做反馈，输入电压和输入电流做保护，经DSP内部程序运算PI控制算法和死区公式，实现频率和死区时间一起调节，具体的控制过程如图4和图5所示。该控制方法采用双闭环控制，外环为电流环，内环为电压环，外环以LLC输出电流Io为反馈量，以设定参考值Iref为电流给定量，根据Iref与Io的差值进行PI调节输出Vo_ref，内环以输出的Vo_ref为电压给定量，以LLC输出电压Vo为反馈，根据Vo_ref与Vo的差值进行PI调节输出得到开关频率fs，根据死区时间Tdead和fs的关系计算死区时间Tdead，利用死去时间Tdead对LLC进行PWM控制。其中死区时间和实现ZVS的开关频率fs之间的关系为：其中Tdead为死区时间，fs为实现ZVS的开关频率，Vo为LLC输出电压，Vin为LLC输入电压，N为变压器匝比，Coss为原边MOS管的等效输出电容，Lp为变压器励磁感量。DSP通过采用上述控制方法输出四个驱动信号号PWM1、PWM2、PWM3和PWM4，这四个驱动信号经过驱动电路后，分别连接图1中的相对应的G1、G2、G3和G4四个信号口，其中PWM1与PWM4信号一样，PWM2和PWM3信号一样，PWM1与PWM2形成死区互补，如图7所示。数字LLC在工作的时候，如图8所示，在Q2关断到Q1开通之间有T1的死区时间，此时由于功率回路中电感的存在会在Q1上产生反向恢复电流，利用这个电流实现了ZVS。T1时刻反向恢复电流给Q1的Coss放电，使Q1漏级与源级之间电压接近相等，Q1漏级与源级之间电压相等的时候PWM1再开通，这样形成了ZVS。但如果当反向恢复电流给Q1的Coss放电，使Q1漏级与源级之间电压接近相等后，反向恢复电流还存在的话，此时的电流会经过Q1的体二极管进行放电，增加了MOS管的损耗。同本发明的控制方法，当反向恢复电流给Q1的Coss放电，使Q1漏级与源级之间电压接近相等时，立刻开启Q1，这样就不会有反向恢复电流消耗在寄生的体二极管上，即可以实现ZVS，又可以尽量减少反向恢复电流给MOS管带来的能量损耗。通过本发明的数字LLC中ZVS的控制方法，实现了实时调节死区的方法，既提高了LLC工作频率，在低频工作又减少了MOS管损耗，实现了最优ZVS。根据精准的计算得出实时死区时间，保证每个开关周期里的ZVS都是最理想的，达到效率最优化。