本發明涉及半橋LLC諧振變換器的控制技術領域，特別是一種半橋LLC諧振變換器的閉環控制系統及控制方法。

背景技術：

21世紀是信息化的時代，信息化的快速發展使得人們對于電子設備、產品的依賴性越來越大，而這些電子設備、產品都離不開電源。開關電源相對于線性電源具有效率、體積、重量等方面的優勢，尤其是高頻開關電源正變得更輕，更小，效率更高，也更可靠，這使得高頻開關電源成為了應用最廣泛的電源。從開關電源的組成來看，它主要由兩部分組成：功率級和控制級。功率級的主要任務是根據不同的應用場合及要求，選擇不同的拓撲結構，同時兼顧半導體元件考慮設計成本；控制級的主要任務則是根據電路電信號選擇合適的控制方式，目前的開關電源以PWM控制方式居多。

開關變換器發展迅猛，對開關電源的輸出功率和輸出電壓也提出了更高要求。例如，32～52in的液晶電視機(LCD TV)所需開關電源的功率范圍已達到120～300W。而56in以上液晶電視機的電源功率可超過350W。由于單端反激式開關電源的輸出功率一般不超過70W，雙端反激式開關電源的輸出功率一般為120～180W，都無法滿足上述要求。半橋LLC諧振變換器具有輸出功率大(150～180W)、所需元器件數量少、高性價比、高效率(可達99％)、輸出電壓穩定等優點，是制作大屏幕及超大屏幕液晶電視開關電源的最佳選擇。半橋LLC諧振變換器還適用于PC電源、LED路燈、通信電源系統、工業、醫療設備等領域。半橋LLC諧振變換器集成電路的典型產品有PI公司生產的PLC810PG、ST公司的L6599、安森美公司生產的NCP1395和NCP1396。利用PI Expert8.5軟件，可完成PLC810PG的設計工作，包括根據用戶自定義的輸出負載和額定開關頻率，自動選擇串聯及并聯諧振元件值；確保在所有負載條件下實現零電壓開關(ZVS)；自動計算PFC和LLC主要功率器件的損耗、并以圖形方式顯示所設計的開關頻率、輸出功率及輸出電壓等。

目前大屏幕及超大屏幕液晶電視機產業正獲得迅速發展。20世紀五十年代初，自激推挽式晶體管單變壓器直流變換器、自激推挽式雙變壓器的發明和使用，以及六十年代中期無工頻變壓器式開關電源設計方案的提出，實現了開關變換器對高頻轉換的控制功能，推動了開關變換器的發展；20世紀八九十年代，隨著脈沖寬度調(PWM)控制器以及單片機開關電源的出現和使用，開關電源得到了日益普及和推廣。與此同時，開關電源正向著電壓穩定、安全高效、節能環保的方向發展，即要求對開關變換器進行有效的閉環控制。

但是，如今市場中的開關變換器存在許多問題，主要表現在：諧振槽路內諧振參數設計復雜、變壓器漏感需妥善處理、常規變頻PFM控制的空載時諧振槽路內電流大，損耗嚴重、短路保護等較難以解決、變換器動態響應緩慢和控制電路成本高、輸出效率低、輸出電壓不穩定等問題。為解決以上問題，設計一套可靠穩定的開關變換器的閉環控制系統十分重要。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種半橋LLC諧振變換器的閉環控制系統及控制方法，以克服現有技術中存在的缺陷。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種半橋LLC諧振變換器的閉環控制系統，包括：依次相連的電路輸入電源、開關模塊、諧振網絡模塊、變壓器、整流濾波模塊以及負載；所述負載連接至PID控制系統；所述PID控制系統與一VCO相連；所述VCO與所述開關模塊相連；所述主電路輸入電源為直流電源，通過所述開關模塊轉換為方波，并作為諧振回路的輸入；所述開關模塊包括兩個互補導通的開關管，組成半橋結構；所述諧振網絡模塊包括一諧振電感和一諧振電容，為半橋LLC諧振變換器提供了兩個諧振頻率，分別為串聯諧振頻率和并聯諧振頻率；所述變壓器為高頻變壓器，其一次側與所述諧振網絡模塊相連接；所述整流濾波模塊與所述變壓器的二次側相連，且所述整流濾波模塊包括由兩個二極管組成帶有中心變壓器的全波整流電路和若干濾波電容組成的濾波電路；所述變壓器輸出電壓經過所述整流濾波模塊后，再供給所述負載使用，并將輸出電壓信號傳送至所述PID控制系統；所述PID控制系統用于傳送電壓信號給所述VCO，所述VCO根據該電壓信號控制所述開關模塊。

在本發明一實施例中，所述PID控制系統經分壓模塊與所述負載相連，且還與一基準電壓模塊相連；所述輸出電壓信號經過所述分壓模塊后，作為所述PID控制系統的電壓采樣值；所述PID控制系統通過所述基準電壓模塊提供的基準電壓值與所述電壓采樣值計算用于LLC諧振變換器PID調節的輸入誤差。

在本發明一實施例中，所述VCO經一驅動電路與所述開關模塊相連，且還與一反相器相連；所述VCO接收從所述PID控制系統反饋的電壓信號后，與所述反相器共同作用，輸出占空比為50％、相位相差180°的兩路方波信號；再經過所述驅動電路，控制兩個開關管交替的導通和關斷。

進一步的，還提供一種半橋LLC諧振變換器的閉環控制系統的控制方法，所述PID控制系統與VCO相連接，構成半橋LLC諧振變換器的控制環路；所述VCO接收反饋而來的電壓信號，采用固定死區的互補調頻工作方式，來調節開關管的工作頻率，通過改變開關管的工作頻率，來調節變壓器的能量輸出，進而改變半橋LLC諧振變換器的輸出電壓值。

在本發明一實施例中，通過所述PID控制系統預設PID調節參數，包括比例系數、積分時間常數和微分時間常數。

在本發明一實施例中，所述半橋LLC諧振變換器的控制環路的閉環控制系統的工作方式如下：

當所述PID控制系統接收到不穩定的輸出電壓信號時，

所述PID控制系統接收到所述負載提供的升高的輸出電壓信號后，通過所述分壓模塊獲取電壓采樣值；并根據所述電壓采樣值與所述基準電壓模塊提供的基準電壓的偏差，向所述VCO發送電壓信號，改變所述VCO的輸入電壓，從而降低所述VCO輸出波形的頻率；由所述VCO輸出電信號，經過所述驅動電路調節降低開關管的工作頻率，減小半橋LLC諧振變換器的電壓增益，進而降低半橋LLC諧振變換器的輸出電壓；同時，所述PID控制系統接收下一時刻所述負載提供的輸出電壓信號，再向所述VCO發送實時的電壓信號，以此構成的負反饋來實現調頻調壓，使輸出電壓達到穩定；

所述PID控制系統接收到所述負載提供的降低的輸出電壓信號后，通過所述分壓模塊獲取電壓采樣值；并根據電壓采樣值與所述基準電壓模塊提供的基準電壓的偏差，向所述VCO發送電壓信號，改變所述VCO的輸入電壓，從而升高所述VCO輸出波形的頻率；由所述VCO輸出電信號，經過所述驅動電路調節升高開關管的工作頻率，增大半橋LLC諧振變換器的電壓增益，進而升高半橋LLC諧振變換器的輸出電壓；同時，所述PID控制系統接收下一時刻所述負載提供的輸出電壓信號，再向所述VCO發送實時的電壓信號，以此構成的負反饋來實現調頻調壓，使輸出電壓達到穩定；

當所述PID控制系統接收到穩定的輸出電壓時，所述VCO輸出波形頻率不變，從而開關管的工作頻率不變，保證輸出電壓穩定不變。

在本發明一實施例中，所述半橋LLC諧振變換器的電壓增益：

其中，

為串聯諧振頻率；

為并聯諧振頻率；

為品質因數；

為電感系數；

為歸一化頻率；

C_r為諧振電容，L_r為諧振電感，L_m為變壓器的勵磁電感，n為變壓器的匝比，R_L為負載電阻，f為開關管的工作頻率。

相較于現有技術，本發明具有以下有益效果：

(1)該系統能夠對實現對變換器的調壓作用，并且通過比例-積分-微分(PID)控制系統和VCO實現閉環控制。本設計涉及的閉環控制系統PID控制系統，具有原理簡單、適應性和魯棒性強、對模型的依賴少，便于使用等優點。

(2)PID控制系統在接收到負載端輸出電壓升高或者降低的信號后，向VCO發送電壓信號，改變VCO的輸入電壓；VCO根據PID控制系統反饋而來的電壓信號輸出相應的電信號，再經過驅動電路調節開關管的工作頻率，進而改變變換器的輸出電壓，使變換器的輸出電壓達到穩定；

(3)PID控制系統和VCO的共同作用，使開關管工作在合理的頻率范圍內，實現了開關管的零電壓開通和輸出整流二極管的零電流關斷，提高了變換器的工作效率。

附圖說明

圖1為本發明中半橋LLC諧振變換器的閉環控制系統的原理圖。

圖2為本發明一實施例中半橋LLC諧振變換器的電路圖。

圖3為本發明一實施例中半橋LLC諧振變換器的閉環控制系統的電路圖。

圖4為本發明一實施例中開關管兩端的電壓波形圖。

圖5為本發明一實施例中全波整流電路中輸出整流二極管的電流波形圖。

圖6為本發明一實施例中輸出電壓信號的波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。

本發明一種半橋LLC諧振變換器的閉環控制系統，如圖1所示，包含主電路輸入電源(直流電源)11，開關模塊12，諧振網絡模塊13，變壓器14，整流濾波電路模塊15，負載16，分壓模塊21，PID控制系統31，VCO 32，驅動電路模塊22，基準電壓模塊41，反相器42。

進一步的，在本實施例中，如圖2～3所示，主電路輸入電源11為直流電源，并通過所述開關模塊12轉換為方波，作為諧振回路的輸入；所述開關模塊12由兩個互補導通的開關管構成，組成半橋結構；所述諧振網絡模塊13由諧振電感和諧振電容組成，并由此定義了半橋LLC諧振變換器的兩個諧振頻率，分別為串聯諧振頻率和并聯諧振頻率；所述變壓器14為高頻變壓器，其一次側與所述諧振網絡模塊相連接；所述整流濾波電路模塊N在所述變壓器二次側，由兩個二極管組成帶有中心變壓器的全波整流電路和若干濾波電容組成的濾波電路構成；所述變壓器輸出電壓經過所述整流濾波電路模塊15后，再供給所述負載16使用，并將輸出電壓信號傳送至所述PID控制系統31。

進一步的，在本實施例中，PID控制系統31與VCO32相連接，構成半橋LLC諧振變換器的控制環路；所述PID控制系統31用于傳送電壓信號給所述VCO32；所述VCO32接收反饋而來的電壓信號，采用固定死區的互補調頻工作方式，來調節開關管的工作頻率，通過改變開關管的工作頻率，來調節變壓器的能量輸出，進而改變變換器的輸出電壓值；開關管的工作頻率取決于對所述控制環路的輸出功率的需求；當所述控制環路的輸出功率較低時，開關管的工作頻率可相當高；當所述控制環路的輸出功率較高時，控制環路會自動降低開關管的工作頻率。由于開關管工作在合理的頻率范圍內，實現了開關管的零電壓開通和輸出整流二極管的零電流關斷，提高了變換器的工作效率。

進一步的，在本實施例中，本實施例中，PID控制系統31還連接有基準電壓模塊41和分壓模塊21；輸出電壓經過所述分壓模塊21后，作為PID控制系統31的電壓采樣測量值；輸出電壓給定值與電壓采樣值確定了PID控制系統31的輸入誤差；根據所述輸入誤差，完成LLC諧振變換器的PID調節。

進一步的，在本實施例中，VCO 32還連接有反相器42和驅動電路模塊22；VCO 32接收從PID控制系統31反饋而來的電壓信號后，與所述反相器42共同作用，輸出占空比為50％、相位相差180°的兩路方波信號；再經過所述驅動電路模塊22，使兩個開關管交替的導通和關斷。

進一步的，在本實施例中，PID控制系統31的內部設定有PID調節參數，包括比例系數、積分時間常數和微分時間常數；當PID控制系統31接收到負載端輸出電壓降低的信號時，或者PID控制系統31接收到負載端輸出電壓升高的信號時，PID控制系統31存在輸入誤差；PID控制系統31開始工作，調節輸出電壓，使輸出電壓達到穩定。

進一步的，在本實施例中，所述半橋LLC諧振變換器的閉環控制系統的具體工作方式如下，

當PID控制系統接收到不穩定的輸出電壓信號時，

PID控制系統接收到負載端輸出電壓升高的信號后，根據電壓采樣值與基準電壓的偏差大小，向VCO 32發送電壓信號，改變VCO 32的輸入電壓，從而降低VCO 32輸出波形的頻率；由VCO 32輸出的電信號再經過驅動電路調節降低開關管的工作頻率，減小變換器的電壓增益，進而降低變換器的輸出電壓，同時，PID控制系統31接收下一時刻的負載輸出電壓信號，再向VCO32發送實時的電壓信號，以此構成的負反饋來實現調頻調壓，最終使輸出電壓達到穩定；

PID控制系統31接收到負載端輸出電壓降低的信號后，根據電壓采樣值與基準電壓的偏差大小，向VCO32發送電壓信號，改變VCO32的輸入電壓，從而升高VCO32輸出波形的頻率；由VCO32輸出的電信號再經過驅動電路調節升高開關管的工作頻率，增大變換器的電壓增益，進而升高變換器的輸出電壓，同時，PID控制系統31接收下一時刻的負載輸出電壓信號，再向VCO 32發送實時的電壓信號，以此構成的負反饋來實現調頻調壓，最終使輸出電壓達到穩定；

當PID控制系統31接收到穩定的輸出電壓時，VCO32輸出波形頻率不變，從而開關的工作頻率不變，保證了輸出電壓穩定不變。

進一步的，在本實施例中，半橋LLC諧振變換器的閉環控制系統，有電壓增益(歸一化電壓增益)：

其中，

為串聯諧振頻率；

為并聯諧振頻率；

為品質因數；

為電感系數；

為歸一化頻率；

公式中，C_r為諧振電容、L_r為諧振電感、L_m為T₁的勵磁電感、n為高頻變壓器的匝比、R_L為負載電阻，f為開關管的工作頻率。

進一步的，如圖4～6所示，通過VCO調節開關管的工作頻率f。當輸出電壓V₀升高時，f↓→G↓→V₀↓，最終使V₀達到穩定。反之，當輸出電壓V₀降低時，f↑→G↑→V₀↑，同樣也能使V₀趨于穩定。

以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的范圍時，均屬于本發明的保護范圍。