電流模式LLC的控制方法

前言：諧振變換器（LLC）目前階段還是以反饋量去直接控制開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的控制方法，該方法目前存在：

1、環(huán)路響應(yīng)速度慢，

2、控制到輸出的傳遞函數(shù)中存在雙極點(diǎn)，使得不容易穩(wěn)定，

3、過(guò)流保護(hù)和過(guò)功率保護(hù)不準(zhǔn)。

下圖是典型的半橋LLC變換器的拓?fù)鋱D：

下圖是典型的直接控制頻率方法的從控制到輸出的傳遞函數(shù)Bode圖，可見(jiàn)在不同的輸出功率下傳遞函數(shù)中的雙極點(diǎn)位置不固定，使得需要在三種不同的區(qū)域中考慮閉環(huán)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，提升了設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

書(shū)目：

1、 在題為“Charge current control for LLC resonant converter”作者：Hangseok Choi, Fairchild Semiconductor 3030, San Jose, CA, USA，提出了適用采樣諧振電流積分的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電流模式LLC的控制，他的思路是采樣諧振電流的積分，將正弦電流改為電荷積分器變?yōu)榇黼娏鞔笮〉娜遣ù笮?，通過(guò)反饋控制三角波的峰值，即可控制諧振電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)功率控制。 可見(jiàn)下圖：

LLC工作波形：

2、 在題為“Time-shift Control of LLC Resonant Converters”作者：Claudio Adragna, STMicroelectronics, Italy, claudio.adragna@st.com，提出了通過(guò)檢測(cè)諧振電流過(guò)零點(diǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電流模式LLC的控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LLC變換器的降階控制，提升了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

3、在題為“Bang-Bang Charge Control for LLC Resonant Converters”作者：Zhiyuan Hu, Laili Wang, Yan-Fei Liu, and P. C. Sen Department of Electrical and Computer Engineering Queen’s University Kingston, Canada，提出了監(jiān)測(cè)諧振電流上的正負(fù)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸功率的控制方法。

在前人的肩膀上本人提出一種電流模式LLC的控制方法，以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了電流模式LLC的控制，并提升了變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，并易于實(shí)現(xiàn)。

在諧振變換器工作時(shí)，從電源經(jīng)開(kāi)關(guān)管流入到LC諧振腔的電流，可以表現(xiàn)為諧振電容的電壓變化，具體來(lái)說(shuō)就是電感的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)移到電容器的電場(chǎng)能，而LLC變換器依托諧振的原理實(shí)現(xiàn)了高效率的電源轉(zhuǎn)化效率。 下圖是半橋和全橋LLC，都只需采樣諧振電容的電壓即可實(shí)現(xiàn)電流模式的控制：

在諧振變換器中，當(dāng)諧振電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)意味著諧振電流全部流入到諧振電容，此時(shí)正對(duì)應(yīng)著諧振電容的電壓達(dá)到峰值。 可見(jiàn)下圖CH2中綠色為諧振電流、紅色為諧振電流從負(fù)向到正向的零穿越點(diǎn)。 CH3是諧振電容的電壓，當(dāng)諧振電流的負(fù)向穿越到正向時(shí)，正好對(duì)應(yīng)著諧振電容的負(fù)向電壓峰值。

所以提出采樣諧振電容的電壓，因?yàn)橹C振電流超前電容相位90°，可以使用一個(gè)電容串聯(lián)以微分的方法來(lái)把諧振電流信號(hào)從諧振電容的電壓上提取到。 而諧振電容的電壓可以直接使用兩個(gè)電容串聯(lián)分壓的方法得到，可見(jiàn)下圖，其中Vcr是諧振電容電壓的采樣，iLr是諧振電流的采樣。

然后監(jiān)測(cè)代表諧振電流的信號(hào)的過(guò)零穿越點(diǎn)iLr_ZCD，并在此時(shí)間點(diǎn)是觸發(fā)采樣/保持（sample/hold）對(duì)諧振電容的電壓采樣。 依前文所提的原理，當(dāng)諧振電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)著諧振電容的電壓峰值。 當(dāng)諧振變換器在感性區(qū)域工作時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)HG導(dǎo)通時(shí)，電流不會(huì)立刻從電源流入到諧振腔，而是要等待諧振電流方向換向，發(fā)生極性轉(zhuǎn)換后才開(kāi)始從電壓源流入到諧振腔。 因此諧振電流方向換向的時(shí)刻正是諧振電流的過(guò)零穿越點(diǎn)iLr_ZCD由低變高時(shí)間點(diǎn)，所以HG開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后真正流入進(jìn)諧振腔的電流或是流入到諧振電容的電荷的積分，都被表現(xiàn)在諧振電容從負(fù)向峰值開(kāi)始上升到的正向的某個(gè)電壓之間的差值ΔVcr。 通過(guò)控制諧振電容的負(fù)向峰值點(diǎn)電壓到反饋環(huán)所設(shè)定的諧振電容電壓的增量ΔVcr電壓來(lái)控制流入諧振腔的電流大小，也等同于控制了在HG開(kāi)通時(shí)流入諧振腔的功率。 從原邊母線(xiàn)電壓和流入諧振腔的電流即可計(jì)算出在開(kāi)通HG導(dǎo)通時(shí)傳輸?shù)墓β剩篜out = Vin * Iin = dVcr * Cr * Fsw * Vin。

因此，通過(guò)控制住諧振電容的電壓在諧振電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)到HG開(kāi)關(guān)關(guān)閉點(diǎn)的電壓增量ΔVcr，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LLC變換器的功率控制，實(shí)現(xiàn)電流模式的控制方法。 可見(jiàn)下圖是電流模式LLC的控制流程：iLr是諧振電流采樣信號(hào)，vCr是諧振電容的電壓采樣信號(hào)，Vloop是電壓外環(huán)的輸出值。 監(jiān)測(cè)到諧振電流iLr大于0時(shí)刻觸發(fā)對(duì)諧振電容Vcr的采樣/保持，并把S/H的輸出加上電壓外環(huán)vloop的設(shè)定值后與諧振電容的電壓采樣值vCr進(jìn)行比較，當(dāng)諧振電容的電壓高于諧振設(shè)置值時(shí)觸發(fā)關(guān)閉HG的信號(hào)，并在插入死區(qū)時(shí)間后，開(kāi)啟LG信號(hào)，并把HG開(kāi)通時(shí)間長(zhǎng)度復(fù)制給低端開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)HG/LG的導(dǎo)通時(shí)間一致， 解決LLC變換器的電流不平衡問(wèn)題，通俗的說(shuō)就是單邊控制。

控制策略原理可見(jiàn)下圖所示：在LG的關(guān)閉后，取其下降沿信號(hào)，去重新置位SR觸發(fā)器，重新開(kāi)啟新一個(gè)周期的HG信號(hào)，并再等待諧振電流的過(guò)零信號(hào)iLr_ZCD發(fā)生，然后采樣保持（S/H）諧振電容電壓，再加上Vloop后等待電容電壓升高到諧振電容設(shè)定點(diǎn)，再關(guān)閉HG，重復(fù)這種工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作。

使用控制策略的運(yùn)行波形，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率：

系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率低于諧振頻率：

交流信號(hào)分析：從電容電壓增量設(shè)定值ΔVcr到輸出電壓的傳遞函數(shù)掃描，可見(jiàn)即使是在低于諧振頻率的區(qū)域工作，在傳遞函數(shù)的bode圖的增益和相位上沒(méi)有看到二階雙極點(diǎn)引起的極點(diǎn)和相位移等問(wèn)題存在，是一個(gè)典型的一階系統(tǒng)的波形。 因此可以認(rèn)為，通過(guò)控制在諧振電流過(guò)零點(diǎn)處諧振電容的電壓增大到反饋環(huán)設(shè)定的諧振電容之間的差值ΔVcr，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LLC變換器的電流模式控制，大幅度地提升了閉環(huán)穩(wěn)定性和可靠性。 因?yàn)橹苯涌刂屏穗娏髁魅氲街C振腔的增量，也就從控制上直接控制了輸出功率，因此在過(guò)流和短路等問(wèn)題上比直接控制頻率的控制方法更有優(yōu)勢(shì)，可靠性更好。

小結(jié)：通過(guò)控制在諧振電流過(guò)零點(diǎn)處諧振電容的電壓到反饋設(shè)定的諧振電容之間的ΔVcr，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LLC變換器的電流模式控制，大幅度的提升了閉環(huán)穩(wěn)定性和可靠性，提升了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，也因?yàn)榈皖l處DC增益高，比直接控制頻率的LLC變換器的工頻紋波抑制效果更好，低頻紋波也會(huì)更好。 也因?yàn)橹苯涌刂屏酥C振電流的增量，也從直接控制了輸出功率，因此在過(guò)流和短路等問(wèn)題上比直接控制頻率的控制方法更有優(yōu)勢(shì)，可靠性更好。