[发明专利]基于BUCK-LLC两级DC/DC变换器的三环定频控制方法

摘要

本发明公开了一种基于BUCK‑LLC两级DC/DC变换器的三环定频控制方法。该方法将LLC谐振变换器的开关频率定为两元件谐振频率，同时使用差分电路分别采集LLC变换器和BUCK变换器的输出电压，使用电流传感器采集BUCK变换器电感电流并进行三环控制，其中LLC输出电压环为最外环，BUCK变换器输出电压为中间环，BUCK变换器电感电流为内环。本发明中LLC谐振变换器增益保持不变，通过三环控制调整BUCK变换器开关管的占空比来调节BUCK‑LLC两级DC/DC变换器的输出电压。相对单环或双控制策略变换器动态响应速度更快，稳态性能更好，功率密度更高，抗负载扰动能力较强，具有一定的工程应用价值。

主权项

1.一种基于BUCK‑LLC两级DC/DC变换器的三环定频控制方法，其特征在于，该控制方法所涉及电路拓扑结构为两级结构，前级BUCK变换器包括直流输入电压Uin、开关管S1、开关管S2、电感LBUCK、输出电容Cin、BUCK变换器输出电压Uout；后级LLC变换器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、谐振电感Lr、谐振电容Cr、高频变压器T、二极管DR1、二极管DR2、输出电容C0、输出负载电阻R0、LLC变换器输出电压U0；开关管S1的集电极连接输入电压Uin的正极，开关管S2的集电极连接开关管S1的发射极，开关管S2的发射极连接直流输入电压Uin的负极，BUCK变换器的电感LBUCK一端连接开关管S1的发射极与开关管S2集电极的交点，另一端连接BUCK变换器的输出电容Cin的正极，BUCK变换器的输出电容Cin的负极连接输入电压Uin负极与开关管S2发射极的交点,BUCK变换器的输出电压为电容Cin两端电压Uout；LLC变换器开关管Q1和开关管Q3首尾串联，即开关管Q1的集电极连接BUCK变换器的输出电容Cin的正极，开关管Q3的集电极连接开关管Q1的发射极，开关管Q3的发射极连接BUCK变换器的输出电容Cin的负极；LLC变换器开关管Q2和Q4首尾串联，即开关管Q2的集电极连接BUCK变换器的输出电容Cin的正极，开关管Q2的发射极连接开关管Q4的集电极，开关管Q4的发射极连接BUCK变换器的输出电容Cin的负极；开关管Q1发射极与开关管Q3集电极的交点引出作为A点，开关管Q2发射极与开关管Q4集电极的交点引出作为B点；LLC变换器的谐振电感Lr一端连接A点，另一端连接高频变压器T边的原边正极，高频变压器T的原边负极连接LLC变换器谐振电容Cr的一端，LLC变换器谐振电容Cr的另一端连接B点；高频变压器T副边带有中心抽头，中心抽头连接LLC输出电容C0的负极，高频变压器T副边正极连接二极管DR1的正极，高频变压器T副边负极连接二极管DR2的正极，二极管DR1的负极与二极管DR2的负极相连；二极管DR1负极与二极管DR2负极的交点连接LLC变换器输出电容C0的正极；负载电阻R0正极连接LLC变换器输出电容C0的正极，负载电阻R0负极接LLC变换器输出电容C0的负极；负载电阻两端的电压U0为LLC变换器的输出电压；该控制方法中LLC谐振变换器的增益保持不变，通过三环控制调整BUCK变换器开关管的占空比来调节BUCK‑LLC两级DC/DC变换器的输出电压，其中LLC输出电压环为最外环，BUCK变换器输出电压为中间环，BUCK变换器电感电流为内环；该控制方法包括对LLC变换器输出电压U0、BUCK变换器输出电压Uout和BUCK变换器电感电流iL的采样，主要步骤如下：步骤1，计算LLC变换器的谐振电感和谐振电容的谐振频率fr，其表达式如下：其中，Lr为LLC变换器的谐振电感，Cr为LLC变换器的谐振电容；步骤2，设定LLC变换器开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4的开关频率fs为步骤1得到的谐振频率fr，利用差分电路分别采集LLC变换器输出电压U0和BUCK变换器输出电压Uout，利用电流传感器采集BUCK变换器电感电流iL；步骤3，将步骤2得到的LLC变换器的输出电压U0与给定的LLC变换器的输出电压参考值U0_ref相减得到电压调节误差errU0，将电压调节误差errU0经过PI调节器得到BUCK变换器输出电压Uout的参考信号Uout_ref，errU0＝U0‑U0_refUout_ref＝Kpv0·errU0+Kiv0·∫errU0dt其中Kpv0为LLC变换器输出电压误差PI调节器的比例系数，Kiv0为LLC变换器输出电压误差PI调节器的积分系数，t为积分时间；步骤4，将步骤2得到的BUCK变换器的输出电压U0ut与步骤3得到的BUCK变换器输出电压的参考信号Uout_ref相减得到电压调节误差errU0ut，将电压调节误差errU0ut经过PI调节器得到BUCK变换器电感电流iL参考信号iL_ref，errUout＝Uout‑Uout_refiL_ref＝Kpvout·errUout+Kiv0ut·∫errUoutdt其中Kpv0ut为BUCK变换器输出电压误差PI调节器的比例系数，Kiv0ut为BUCK变换器输出电压误差PI调节器的积分系数，t为积分时间；步骤5，先将步骤4得到的BUCK变换器电感电流iL的参考信号iL_ref与步骤2采样得到的BUCK变换器电感电流iL进行相减得到电流调节误差errI，然后将电流调节误差errI经过PI调节器，对PI调节器输出信号限幅后得到BUCK变换器开关管驱动的调制波信号temp，errI＝iL‑iL_reftemp＝Kpi·errI+Kii·∫errIdt其中Kpi为电流误差PI调节器的比例系数，Kii为电流误差PI调节器的积分系数，t为积分时间；步骤6，将步骤5得到的调制波信号temp与三角波载波进行比较，当调制波信号幅值大于三角载波幅值时输出高电平，当调制波信号幅值小于三角载波幅值时输出低电平，当调制波信号幅值等于三角载波幅值时输出电平保持不变，由此可以得到BUCK变换器开关管S1和开关管S2的驱动信号EPWM1和EPWM2。