一种应用于LLC谐振变换器的自适应同步整流装置及方法

本发明属于电力电子技术dc/dc变换器领域，涉及一种应用于llc谐振变换器的自适应同步整流装置及方法。

背景技术：

1、随着新能源发电系统和储能系统等工业技术的不断发展，llc谐振变换器由于其能实现全负载范围的zvs软开关的优点，在工业界和学术界引起广泛研究，而副边同步整流控制则是llc谐振变换器效率和功率密度优化提升的重要方面之一，尤其是在低压大电流输出场合。

2、由于llc谐振变换器系统中寄生参数的存在将会同步整流驱动开通和关断过早，因此自适应同步整流控制变得尤为重要，即通过同步整流管漏源电压检测来实时判断同步整流管的体二极管导通状态进而调节同步整流驱动。然而现有的自适应同步整流方案都没有解决升压区轻载下的同步整流管体二极管多次震荡导通问题，因此同步整流驱动开通过早问题亟待解决，此外，现有的自适应同步整流方案存在稳态点来回跳动的问题导致同步整流开通和关断时刻始终在不同状态间往复切换。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种应用于llc谐振变换器的自适应同步整流装置及方法，该装置及方法能够有效地解决轻载下的同步整流管体二极管多次震荡导通问题以及稳态点来回跳动的问题。

2、为达到上述目的，本发明所述的应用于llc谐振变换器的自适应同步整流装置包括漏源电压采样与比较电路、脉冲信号筛选电路、ecap模块、自适应步进调节模块、同步整流开通时间优化模块、驱动电路、llc谐振变换器主功率电路以及用于检测llc谐振变换器主功率电路输入电压vin、输出电压vo及输出电流io的检测电路；

3、所述漏源电压采样与比较电路的输入端与llc谐振变换器主功率电路中同步整流管ss1的漏极相连接，漏源电压采样与比较电路的输出端与脉冲信号筛选电路的输入端相连接，脉冲信号筛选电路的输出端与ecap模块的输入端相连接，ecap模块的输出端与自适应步进调节模块的输入端及同步整流开通时间优化模块的输入端相连接，自适应步进调节模块的输出端及同步整流开通时间优化模块的输出端与加法器的输入端相连接，加法器的输出端及自适应步进调节模块的输出端与驱动电路的输入端相连接，驱动电路的输出端与llc谐振变换器主功率电路中同步整流管ss1及同步整流管ss2的栅极相连接，检测电路与同步整流开通时间优化模块的输入端相连接。

4、ecap模块、自适应步进调节模块及同步整流开通时间优化模块集成为数字控制器。

5、本发明所述的应用于llc谐振变换器的自适应同步整流方法包括以下步骤：

6、1)漏源电压采样与比较电路采集llc谐振变换器主功率电路70中同步整流管ss1导通时的漏源电压vds，并将所述漏源电压vds与阈值电压vth.bdc进行比较，生成用于反映同步整流管ss1体二极管是否导通的二极管导通信号vbdc；

7、2)漏源电压采样与比较电路输出二极管导通信号vbdc至脉冲信号筛选电路中，通过脉冲信号筛选电路将二极管导通信号vbdc分别与使能信号ensp、使能信号enon及使能信号enoff进行与操作，生成尖峰脉冲信号vbdc.sp、开通沿脉冲信号vbdc.on及关断沿脉冲信号vbdc.off；

8、3)脉冲信号筛选电路输出尖峰脉冲信号vbdc.sp、开通沿脉冲信号vbdc.on及关断沿脉冲信号vbdc.off至ecap模块中，其中，ecap模块将捕获得到的尖峰脉冲信号vbdc.sp的脉冲宽度tbdc.sp送入同步整流开通时间优化模块中，将捕获得到的开通沿脉冲信号vbdc.on的脉冲宽度tbdc.on及关断沿脉冲信号vbdc.off的脉冲宽度tbdc.off送入自适应步进调节模块中；

9、4)自适应步进调节模块根据开通沿脉冲信号vbdc.on的脉冲宽度tbdc.on及关断沿脉冲信号vbdc.off的脉冲宽度tbdc.off生成同步整流管的预开通时间ton1及关断时间toff；

10、5)同步整流开通时间优化模块根据尖峰脉冲信号vbdc.sp的脉冲宽度tbdc.sp、输入电压vin、输出电压vo及输出电流io生成同步整流管的开通补偿时间ton2，将所述开通补偿时间ton2与所述预开通时间ton1通过加法器相加后，得到同步整流开通时间ton，然后将所述同步整流开通时间ton及关断时间toff发送至驱动电路中；

11、6)驱动电路根据所述同步整流开通时间ton及关断时间toff控制llc谐振变换器主功率电路中的同步整流管ss1及同步整流管ss2。

12、所述将所述漏源电压vds与阈值电压vth.bdc进行比较，生成用于反映同步整流管ss1体二极管是否导通的二极管导通信号vbdc的具体过程为：

13、当vds≤vth.bdc时，所述二极管导通信号vbdc为高电平，表明同步整流管ss1的体二极管处于导通状态；当vds＞vth.bdc时，则二极管导通信号vbdc为低电平，表明同步整流管ss1的体二极管处于截止状态。

14、所述通过脉冲信号筛选电路将二极管导通信号vbdc分别与使能信号ensp、使能信号enon及使能信号enoff进行与操作，生成尖峰脉冲信号vbdc.sp、开通沿脉冲信号vbdc.on及关断沿脉冲信号vbdc.off的具体过程为：

15、使能信号ensp的上升沿与原边开关管sp1的驱动上升沿保持同步，使能信号ensp的下降沿与同步整流管ss1的驱动上升沿保持同步，通过使能信号ensp与二极管导通信号vbdc进行与操作，筛选出尖峰脉冲信号vbdc.sp；

16、使能信号enon的下降沿与同步整流管ss1的驱动上升沿保持同步，使能信号enon的脉宽略小于漏源电压vds的半个震荡周期，将使能信号enon与二极管导通信号vbdc进行与操作，以筛选出开通沿脉冲信号vbdc.on；

17、使能信号enoff的上升沿与同步整流管ss1的驱动下降沿保持同步，使能信号enoff的脉宽与使能信号enon的脉宽相同，将使能信号enoff与二极管导通信号vbdc进行与操作，以筛选出关断沿脉冲信号vbdc.off。

18、自适应步进调节模块根据开通沿脉冲信号vbdc.on的脉冲宽度tbdc.on及关断沿脉冲信号vbdc.off的脉冲宽度tbdc.off生成同步整流管的预开通时间ton1及关断时间toff的具体过程为：

19、设置滞环带的上限为tbdc.max，滞环带的下限为tbdc.min，当tbdc.on<tbdc.min时，则下一周期的预开通时间ton1＝ton1'+δt，其中，ton1'为当前控制周期的预开通时间，δt为步进调节步长；当tbdc.on>tbdc.max时，则下一周期的预开通时间ton1＝ton1'-δt；当tbdc.min≤tbdc.on≤tbdc.max时，则下一周期的预开通时间保持不变，ton1＝ton1'；

20、当tbdc.off<tbdc.min时，则下一周期关断时间toff＝toff'-δt，其中，toff'为当前控制周期的关断时间；当tbdc.off>tbdc.max时，则下一周期关断时间toff＝toff'+δt；当tbdc.min≤tbdc.off≤tbdc.max时，则下一周期关断时间保持不变，toff＝toff'。

21、所述同步整流开通时间优化模块根据尖峰脉冲信号vbdc.sp的脉冲宽度tbdc.sp、输入电压vin、输出电压vo及输出电流io生成同步整流管的开通补偿时间ton2的具体过程为：

22、根据输入电压vin、输出电压vo及输出电流io计算得到谐振腔电压增益m及归一化输出功率po＝vo·io/prate，其中，prate为额定功率；根据采样尖峰脉冲信号vbdc.sp的脉冲宽度tbdc.sp，计算得到归一化尖峰脉冲占空比dsp＝tbdc.sp/(ts/8)，其中，ts为开关周期；

23、根据归一化输出功率po及归一化尖峰脉冲占空比dsp判断本次控制在保守开通区或激进开通区；

24、当在保守开通区时，则开通补偿时间ton2为同步整流管的开通延迟时间，所述开通补偿时间ton2由llc时域模型计算得到，当在激进开通区时，则令ton2＝0。

25、所述根据归一化输出功率po及归一化尖峰脉冲占空比dsp判断本次识别在保守开通区或激进开通区的具体过程为：

26、在(m-po)平面内，设边界pbnd为仅考虑同步整流等效结电容值时的边界，当po≥pbnd时，则识别为激进开通区，否则，则在(m-dsp)平面内，比较当前采样得到的dsp与边界dbnd，当dsp≥dbnd时，则识别为激进开通区，否则，则识别为保守开通区。

27、所述驱动电路根据所述同步整流开通时间ton及关断时间toff控制llc谐振变换器主功率电路中的同步整流管ss1及同步整流管ss2的具体过程为：

28、驱动电路根据所述同步整流开通时间ton及关断时间toff生成pwm信号，所述pwm信号经功率放大后形成同步整流管ss1的驱动信号vgs1及同步整流管ss2的驱动信号vgs2，根据同步整流管ss1的驱动信号vgs1及同步整流管ss2的驱动信号vgs2控制llc谐振变换器主功率电路中的同步整流管ss1及同步整流管ss2。

29、本发明具有以下有益效果：

30、本发明所述的应用于llc谐振变换器的自适应同步整流装置及方法在具体操作时，利用使能信号enon及使能信号enoff分别筛选出同步整流管开通前和关断后一小段区间内的二极管导通脉冲信号，从而实现同步整流开通和关断时间的自适应步进调节，其中，利用使能信号enoff对关断后一小段区间内的二极管导通脉冲信号进行筛选的方式，有效避免因同步整流管关断过迟引起的二极管误导通造成传统自适应同步整流方案关断调节失控的问题；本发明在自适应判断中加入的滞环判断，解决传统自适应同步整流方案中稳态点来回跳动的问题；同时，同步整流开通时间优化模块根据尖峰脉冲信号vbdc.sp的脉冲宽度tbdc.sp、输入电压vin、输出电压vo及输出电流io生成同步整流管的开通补偿时间ton2，解决轻载下的同步整流管体二极管多次震荡导通问题。

31、进一步，本发明通过采样尖峰脉冲信号脉冲宽度tbdc.sp、输入电压vin、输出电压vo及输出电流io，对保守开通区和激进开通区进行识别，并在保守开通区内施加合适的开通延迟时间，从而消除功率回流以及避免同步整流管体二极管长时间导通，提高llc谐振变换器的效率以及轻载下同步整流控制的可靠性。