CN104079152B

CN104079152B - 用于llc变换器的工频纹波抑制方法及其装置

Info

Publication number: CN104079152B
Application number: CN201410342524.9A
Authority: CN
Inventors: 马春红; 吴磊涛; 刘宇博
Original assignee: Shenzhen Vmax Power Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Weimeisi New Energy Group Co ltd
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: CN104079152A

Abstract

本发明属于变换器技术领域。为了解决现有LLC变换器工频纹波抑制技术存在的缺陷，本发明公开了一种用于LLC变换器的工频纹波抑制方法及其装置，所述方法中：将电压环作为主控制，并增加纹波环作为补偿控制，采用本发明，通过纹波控制与电压环控制相结合的方式，增加系统工频倍频段增益，提高了系统对工频段的调节能力，从而达到了减小纹波和改善输出电压质量的有益效果。

Description

用于LLC变换器的工频纹波抑制方法及其装置

技术领域

本发明涉及变换器技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于LLC变换器的工频纹波抑制方法及其装置。

背景技术

功率谐振变换器是以谐振电路为基本变换单元，利用电路发生谐振时，电流或电压周期性地过零，使得开关器件在零电压或零电流条件下开通或关断，从而实现软开关，达到降低开关损耗的目的。

如图1所示，其为LLC谐振变换器的实施原理图，所述LLC变换器包括：LLC主功率变换电路，数字信号处理器、输出电压采样电路、输出电流采样电路、以及原边隔离驱动电路。

数字信号处理器获取输出电压采样电路提供的输出电压，经过数字滤波处理后，将目标值与输出电压做差，该差值通过数字PI（ProportionalIntegral，比例调节和积分调节）控制器的调节，产生与调节电压相应的频率的数字量，该数字量即用作数字信号处理器内部ePWM模块的周期值，并据此数字量修改相应ePWM模块的周期寄存器，使得ePWM模块生成相应频率的PFM控制信号，该PFM信号经过原边隔离驱动电路后，加载到变换器开关管Q1、Q2、Q3以及Q4的驱动信号端，从而控制这些开关管的开通和关断，进而使LLC谐振变换器输出稳定的目标电压。

目前，开关电源具有小型、轻量和高效的特点并广泛用于电子设备中。随着电力电子技术的飞速发展以及高频开关器件的出现，开关电源逐渐向着高频化、集成化以及模块化的方向发展，开关电源逐渐实现数字化控制可以节省硬件电路的成本，并且其精度更高，实现快速，且具有控制灵活等优点。已知地，提高开关频率能够减小装置体积，提高设备的功率密度和可靠性，并且可以降低开关噪声，谐振变换器由于能实现软开关，从而可以有效地减小开关损耗，使得开关频率进一步提高，所以当前在高频功率变换领域得到了广泛的重视和研究。

在此背景下，人们对于开关电源输出电压的精度和低工频纹波要求也越来越高。其中，工频纹波是变换器在进行AC-DC变换时，交流电源在整流滤波环节中不可避免的在直流量中带入的交流成分。具体地，变换器的输入电压为交流市电，频率通常在50Hz，经变换器的整流滤波电路处理后输出的直流电压中通常含有交流低频纹波，其频率为输入的交流电源频率的二倍，这种叠加在直流量上的交流分量就称之为工频纹波。

LLC谐振变换器前级AC-DC变换器通过整流滤波及PFC功率因数校正电路将输入的交流电压转换成高压直流电压，该高压直流输出上已经叠加了工频纹波，在进行DCDC变换时，工频纹波不可避免地被叠加到LLC变换器的输出电压上。可见LLC变换器输出电压中的工频纹波是由输入的整流纹波经LLC变换器并传递到输出端的，其中，工频纹波的大小取决于整流滤波电容的容量和反馈回路的调节能力。

现有技术中，用于变换器的抑制工频纹波的方法主要是采取滤波法的方式：在电源输出端加入滤波电路以滤除输出电压中夹杂的工频纹波。所述滤波电路通常采用RC滤波电路或LC滤波电路，在具体设计时通过计算合理的阻值、容值、感量，从而在一定程度上可以有效地抑制工频纹波的大小。但是由于变换器体积的限制，LC滤波电路所使用的滤波电感尺寸无法尽可能地做大，因此无法尽量多地减小工频纹波；另外，在具体使用中RC滤波电路的滤波电容在增加到一定程度时，其对减小工频纹波的效果明显降低了，同时这种增加硬件的方式既增加了成本，也增加了应用空间的要求。

因此，如何提供一种兼顾设计成本、产品体积和电路设计复杂度的用于LLC变换器的工频纹波抑制方法是亟待解决的一技术问题。

发明内容

发明人发现，为了有效抑制输出电压上的二次工频纹波，数字PI控制器应该具备较好的抗二次工频纹波的扰动的能力，此时就要求数字PI控制器对二次工频纹波具有足够的增益。而LLC谐振变换器因为其拓扑结构的特点，系统用数字PI控制器控制下开环传递函数的幅频特性曲线，例如在100Hz频率（输入电压频率的二倍频）附近，增益很小，使数字PI控制器不能很好地对二次工频纹波进行控制；而且LLC谐振变换器输出范围较大，采用传统控制方法很难在解决工频纹波问题的同时，又能保证整个工作范围环路特性满足要求。

基于此，本发明实施例提供了一种用于LLC变换器的工频纹波抑制方法及其装置，其在数字主电压环PI控制回路基础上加入纹波控制环回路，用以提高主电压环回路在工频附近频率的增益，从而来达到抑制工频纹波的目的。

为了达到本发明的目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其中：将电压环作为主控制，并增加纹波环作为补偿控制，其中：

所述纹波环：对采样到的输出电压进行第一数字滤波处理，将经所述第一数字滤波处理得到的输出电压平均值与输出电压采样值做差得到第一差值，并对所述第一差值进行低通滤波和比例放大处理后得到纹波环调节电压，以及在对所述纹波环调节电压进行第二数字滤波处理之后得到直流偏置量，将所述纹波环调节电压与该直流偏置量做差得到纹波环电压输出信号；

所述电压环：将所述纹波环电压输出信号叠加至预设的输出电压基准，用于提高系统工频段增益，以及将修正后的输出电压基准与采样到的输出电压做差得到第二差值，并依据该第二差值进行PI控制环路调节，计算原边功率管的开关频率。

优选地，采用如下离散化计算表达式得到所述输出电压平均值V_avg(n)：

V_avg(n)=a1V_avg(n-1)+a2V_sample(n)+a2V_sample(n-1)；

其中：

V_sample(n)表示第n次输出电压采样值；

V_sample(n-1)表示第n-1次输出电压采样值；

V_avg(n)表示第n次得到的输出电压平均值；

V_avg(n-1)表示第n-1次得到的输出电压平均值；

a1、a2为第一数字滤波运算参数。

优选地，采用如下离散化计算表达式得到所述第一差值V_delta(n)：

V_delta(n)=V_avg(n)-V_sample(n)。

优选地，采用如下离散化计算表达式得到纹波环调节电压V_ripple(n)：

V_ripple(n)=K1V_ripple(n-1)+K2V_delta(n)+K3V_delta(n-1)；

其中：

V_ripple(n)表示纹波控制器第n次执行低通滤波和比例放大运算的结果值；

V_ripple(n-1)表示纹波控制器第n-1次执行低通滤波和比例放大运算的结果值；

V_delta(n)表示第n次输出电压平均值与输出电压采样值的第一差值；

V_delta(n-1)表示第n-1次输出电压平均值与输出电压采样值的第一差值；

K1、K2、K3为数字离散化后纹波环控制参数。

优选地，采用如下离散化计算表达式得到所述直流偏置量V_rippleavg(n)：

V_rippleavg(n)=b1V_{rippleavg(n-1)}+b2V_ripple(n)+b2V_ripple(n-1)；

其中：

V_rippleavg(n)表示第n个直流偏置量；

V_{rippleavg(n-1)}表示第n-1个直流偏置量；

b1、b2为第二滤波运算参数。

优选地，采用如下离散化计算表达式得到纹波环电压输出信号V_{ripplepiout(n)}：

V_{ripplepiout(n)}=V_ripple(n)-V_rippleavg(n)；

其中，V_{ripplepiout(n)}表示第n个输出的纹波环电压输出信号。

优选地，将纹波环电压输出信号V_{ripplepiout(n)}叠加到输出电压基准V_set(n)得到修正后的输出电压基准V_ref(n)的计算表达式为：

V_ref(n)=V_{ripplepiout(n)}+V_set(n)；

以及，将修正后的输出电压基准V_ref(n)与采样到的输出电压V_sample(n)做差得到第二差值V_err(n)的计算表达式为：

V_err(n)=V_ref(n)-V_sample(n)。

优选地，采用如下离散化计算表达式，并依据所述第二差值V_err(n)进行PI控制环路调节，计算原边功率管的开关频率数字信号V_piout(n)：

V_piout(n)=V_piout(n-1)+c2V_err(n)+c3V_err(n-1)；

其中：

c2，c3表示输出电压环数字离散化计算参数。

优选地，在计算得到原边功率管的开关频率之后，对计算出的开关频率进行上下限幅处理，并将限幅处理后的开关频率赋值给相应的PWM寄存器，以产生相应频率的波形。

一种LLC变换器装置，其包括：用作主控制的电压环回路以及用作补偿控制的纹波环回路，其中：

所述纹波环回路，用于对采样到的输出电压进行第一数字滤波处理，将经所述第一数字滤波处理得到的输出电压平均值与输出电压采样值做差得到第一差值，并对所述第一差值进行低通滤波和比例放大处理后得到纹波环调节电压，以及在对所述纹波环调节电压进行第二数字滤波处理之后得到直流偏置量，将所述纹波环调节电压与该直流偏置量做差得到纹波环电压输出信号；

所述电压环回路，用于将所述纹波环电压输出信号叠加至预设的输出电压基准，用于提高系统工频段增益，以及将修正后的输出电压基准与采样到的输出电压做差得到第二差值，并依据该第二差值进行PI控制环路调节，计算原边功率管的开关频率。

本发明提出的一种基于数字控制的LLC变换器的工频纹波抑制方法，通过增加系统工频倍频段增益，提高了系统对工频段的调节能力，从而达到了减小纹波和改善输出电压质量的有益效果。

附图说明

图1为现有技术中LLC变换器的原理图；

图2为本发明实施例提供的用于LLC变换器的工频纹波抑制方法的数字环路控制框图；

图3为本发明实施例中纹波环算法结构图；

图4为本发明实施例中计算LLC开关频率子程序流程图；

图5为本发明实施例中更新PWM寄存器中断子程序流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优异效果，下面将结合具体实施例以及附图做进一步的说明。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参考图2所示，本发明实施例提供的一种用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其中：在数字环路控制结构中，将电压环作为主控制，并增加纹波环作为补偿控制，其中：

继续参考图2，其中，Pv(s)是LLC变换器的输出电压对开关频率的传递函数，对本领域的技术人员而言，该传递函数可以通过仿真或测试的方法得到其模型；H(s)是输出电压采样电路传递函数；Filter1(s)是低通滤波电路传递函数，用于执行第一数字滤波处理，使带有工频纹波的输出电压采样值经过该滤波函数后，成为不含有工频分量的输出电压平均值；Gr(s)为纹波环控制器传递函数；Filter2(s)是对纹波环控制器输出信号进行滤波的传递函数，用于执行第二数字滤波处理，得到纹波环控制信号中的直流偏置量；Gc(s)是LLC变换器的电压环控制器，可以采用传统的PI控制方式，用于将修正后的输出电压基准与采样到的输出电压做差得到第二差值，并依据该第二差值进行PI调节计算原边功率管的开关频率。

在本实施例中，数字环路控制的具体工作过程如下：

1、通过ADC模数转换器将采样到的输出电压的模拟量转化为数字量，在某些实施例中，还可以通过ADC模数转换器将采样到的输出电压以及输出电流的模拟量转化为数字量。

2、将输出电压基准值与采样到的输出电压做差，作为LLC变换器主控制环路—电压环的输入信号，经过PI控制调节，计算原边功率管的开关频率，并优选地，可以根据系统硬件参数，对计算出的开关频率进行上下限幅处理，防止计算出的开关频率超出硬件能够承受的工作范围。

3、在步骤2的基础上，添加纹波环的补偿控制方式，增加环路工频段的增益，提高闭环系统对工频电压信号的抑制能力。其中，纹波环结构如图3所示。

纹波环具体控制策略如下：

a、将采样得到的输出电压V_sample进行数字滤波运算，消除工频波动，得到输出电压平均值V_avg。在本实施例中，对V_sample的数字滤波运算传递函数为Filter1(s)，优选地，得到所述输出电压平均值V_avg(n)的离散化计算表达式为：

V_avg(n)=a1V_avg(n-1)+a2V_sample(n)+a2V_sample(n-1)；

其中：

V_sample(n)表示第n次输出电压采样值；

V_sample(n-1)表示第n-1次输出电压采样值；

V_avg(n)表示第n次得到的输出电压平均值；

V_avg(n-1)表示第n-1次得到的输出电压平均值；

a1、a2为第一数字滤波运算参数。

b、将输出电压平均值V_avg与输出电压采样值V_sample进行减法运算，获得的第一差值，就是输出电压中的交流分量V_delta（包括工频纹波、各次谐波等）。

优选地，得到所述第一差值V_delta(n)的离散化计算表达式为：

V_delta(n)=V_avg(n)-V_sample(n)。

其中，V_delta(n)表示第n次输出电压平均值与输出电压采样值的做差结果。

c、V_delta作为纹波环控制器Gr(s)的输入，经过环路计算，得到纹波环调节电压V_ripple，其中，纹波环控制器Gr(s)其主要执行低通滤波和比例放大处理。

优选地，得到纹波环调节电压V_ripple(n)的离散化计算表达式为：

V_ripple(n)=K1V_ripple(n-1)+K2V_delta(n)+K3V_delta(n-1)；

其中：

K1、K2、K3为数字离散化后纹波环控制参数。

d、由得到的纹波环调节电压V_ripple，含有直流偏置，需对其进行滤除处理。处理方式为对纹波环调节电压V_ripple进行数字滤波运算，得到直流偏置量为V_rippleavg。在本实施例中，对V_ripple的数字滤波运算传递函数为Filter2(s)。

优选地，得到所述直流偏置量V_rippleavg(n)的离散化计算表达式为：

V_rippleavg(n)=b1V_{rippleavg(n-1)}+b2V_ripple(n)+b2V_ripple(n-1)；

其中：

V_rippleavg(n)表示第n个直流偏置量；

V_{rippleavg(n-1)}表示第n-1个直流偏置量；

b1、b2为第二滤波运算参数。

e、将纹波环控制器输出的纹波环调节电压V_ripple与滤波后的直流偏置量V_rippleavg进行减法运算，得到纹波环电压输出信号V_ripplepiout，从而达到滤除直流偏置的目的。

优选地，得到纹波环电压输出信号V_{ripplepiout(n)}的离散化计算表达式为：

V_{ripplepiout(n)}=V_ripple(n)-V_rippleavg(n)；

其中，V_{ripplepiout(n)}表示第n个输出的纹波环电压输出信号。

f、将纹波环输出的纹波环电压输出信号V_ripplepiout叠加到输出电压基准V_set，用于提高系统工频段增益。

优选地，将纹波环电压输出信号V_ripplepiout叠加到输出电压基准V_set得到修正后的输出电压基准V_ref的计算表达式为：

V_ref=V_ripplepiout+V_set。

4、将上述步骤中计算出的输出电压基准V_ref与采样得到的输出电压V_sample计算得到第二差值V_err。其中，将修正后的输出电压基准V_ref与采样到的输出电压V_sample做差得到第二差值V_err的计算表达式为：

V_err=V_ref-V_sample。

5、将误差信号V_err作为电压环调节器Gc(s)输入，得到数字信号V_piout。电压环控制器Gc(s)将对误差信号进行合适的PI调节控制。

V_piout(n)=V_piout(n-1)+c2V_err(n)+c3V_err(n-1)；

其中：

V_err(n-1)为第n-1次计算得到的第二差值；

V_piout(n)为第n次电压环控制器调节计算结果值；

V_piout(n-1)为第n-1次电压环控制器调节计算结果值；

c2，c3表示输出电压环数字离散化计算参数。

计算开关频率中断子程序如图4所示。

6、在计算得到原边功率管的开关频率之后，对计算出的开关频率进行上下限幅处理，防止计算出的开关频率超出硬件能够承受的工作范围。

7、将限幅处理后的开关频率赋值给相应的PWM寄存器，以产生相应频率的波形。

具体地，更新PWM寄存器中断子程序的流程图如图5所示。

以上就是本控制方法实施的步骤，最终通过数字信号处理器，提高闭环系统对工频段电压的抑制能力，减小输出工频纹波。实际应用中，采用本发明，相对于现有技术，其输出电压工频纹波得到很大改善，其幅值减小了60%~70%。

相对应地，本发明实施例还提供了一种LLC变换器装置，参考图2所示，其包括：用作主控制的电压环回路以及用作补偿控制的纹波环回路，其中：

所述纹波环回路，用于对采样到的输出电压作进行第一数字滤波处理，将经所述第一数字滤波处理得到的输出电压平均值与输出电压采样值做差得到第一差值，并对所述第一差值进行低通滤波和比例放大处理后得到纹波环调节电压，以及在对所述纹波环调节电压进行第二数字滤波处理之后得到直流偏置量，将所述纹波环调节电压与该直流偏置量做差得到纹波环电压输出信号；

对于所述LLC变换器装置执行工频纹波抑制的具体实现步骤请继续参考上文，此处不再重述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其特征在于：

将电压环作为主控制，并增加纹波环作为补偿控制，其中：

所述电压环：将所述纹波环电压输出信号叠加至预设的输出电压基准，以用于提高系统工频段增益，以及将修正后的输出电压基准与采样到的输出电压做差得到第二差值，并依据该第二差值进行PI控制环路调节，计算原边功率管的开关频率。

2.如权利要求1所述的用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其特征在于：

采用如下离散化计算表达式得到所述输出电压平均值V_avg(n)：

V_avg(n)=a1V_avg(n-1)+a2V_sample(n)+a2V_sample(n-1)；

其中：

V_sample(n)表示第n次输出电压采样值；

V_sample(n-1)表示第n-1次输出电压采样值；

V_avg(n)表示第n次得到的输出电压平均值；

V_avg(n-1)表示第n-1次得到的输出电压平均值；

a1、a2为第一数字滤波运算参数。

3.如权利要求2所述的用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其特征在于：

采用如下离散化计算表达式得到所述第一差值V_delta(n)：

V_delta(n)=V_avg(n)-V_sample(n)。

4.如权利要求3所述的用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其特征在于：

采用如下离散化计算表达式得到纹波环调节电压V_ripple(n)：

V_ripple(n)=K1V_ripple(n-1)+K2V_delta(n)+K3V_delta(n-1)；

其中：

K1、K2、K3为数字离散化后纹波环控制参数。

5.如权利要求4所述的用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其特征在于：

采用如下离散化计算表达式得到所述直流偏置量V_rippleavg(n)：

V_rippleavg(n)=b1V_{rippleavg(n-1)}+b2V_ripple(n)+b2V_ripple(n-1)；

其中：

V_rippleavg(n)表示第n个直流偏置量；

V_{rippleavg(n-1)}表示第n-1个直流偏置量；

b1、b2为第二滤波运算参数。

6.如权利要求5所述的用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其特征在于：

采用如下离散化计算表达式得到纹波环电压输出信号V_{ripplepiout(n)}：

V_{ripplepiout(n)}=V_ripple(n)-V_rippleavg(n)；

其中，V_{ripplepiout(n)}表示第n个输出的纹波环电压输出信号。

7.如权利要求6所述的用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其特征在于：

将纹波环电压输出信号V_{ripplepiout(n)}叠加到输出电压基准V_set(n)得到修正后的输出电压基准V_ref(n)的计算表达式为：

V_ref(n)=V_{ripplepiout(n)}+V_set(n)；

V_err(n)=V_ref(n)-V_sample(n)。

8.如权利要求7所述的用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其特征在于：

采用如下离散化计算表达式，并依据所述第二差值V_err(n)进行PI控制环路调节，计算原边功率管的开关频率数字信号V_piout(n)：

V_piout(n)=V_piout(n-1)+c2V_err(n)+c3V_err(n-1)；

其中：

c2，c3表示输出电压环数字离散化计算参数。

9.如权利要求1或8所述的用于LLC变换器的工频纹波抑制方法，其特征在于，在计算得到原边功率管的开关频率之后，对计算出的开关频率进行上下限幅处理，并将限幅处理后的开关频率赋值给相应的PWM寄存器，以产生相应频率的波形。

10.一种LLC变换器装置，其特征在于，包括：用作主控制的电压环回路以及用作补偿控制的纹波环回路，其中：

所述电压环回路，用于将所述纹波环电压输出信号叠加至预设的输出电压基准，以用于提高系统工频段增益，以及将修正后的输出电压基准与采样到的输出电压做差得到第二差值，并依据该第二差值进行PI控制环路调节，计算原边功率管的开关频率。