一种用于CLLC变换器的控制器的设计方法与流程

本发明涉及变换器的控制器，具体涉及一种用于cllc变换器的控制器的设计方法。

背景技术：

1、由于可再生能源的环境友好性，可再生能源技术发展迅速，与之相关的储能系统、电动汽车等领域也得到迅猛发展，此类产品的市场份额不断扩大。作为能量变换和传输的重要载体，具有能量双向流动和电气隔离特点的双向隔离型dc-dc变换器得到广泛的应用，也成为研究的热点。

2、cllc(电容-电感-电容)变换器是一种电源转换器，它结合了串联谐振转换器和并联谐振转换器的特点，具有高效率和良好的输入输出特性。由于cllc变换器具有软开关能力强、电压增益宽、功率密度高、高效率等优点，成为目前双向隔离型dc-dc变换器的主流拓扑之一。

3、目前cllc变换器的调制方式仍以变频调制为主流，这种调制方式简单可靠，可以在一定的开关频率范围内实现较宽的增益。而对于变频调制，传统方法是采用比例积分控制器对输出电压进行控制，并且多以谐振点作为控制器的设计工作点。然而，这种设计方式没有考虑最恶劣的工作点，使得控制器无法保证在所有工况下均能够实现稳定控制。为了实现对所有工况的控制，传统比例积分控制器通过将带宽限制得较低来实现，但是，较低的带宽牺牲了控制器的响应速度，使得cllc变换器在暂态下的响应速度过慢。

技术实现思路

1、本发明所解决的技术问题为：现有的控制器为了实现对所有工况的控制，传统比例积分控制器通过将带宽限制得较低来实现，但是，较低的带宽牺牲了控制器的响应速度，使得cllc变换器在暂态下的响应速度过慢。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种用于cllc变换器的控制器的设计方法，所述cllc变换器包括原边逆变网络、副边整流网络和对称的谐振腔，并采用变频调制对输出电压进行控制，所述设计方法包括以下步骤：

4、步骤1：对cllc变换器进行小信号建模，推导分析得到变频调制下开关频率控制量到输出电压的传递函数和伯德图；

5、步骤2：通过遍历不同开关频率和负载状况，得到不同工况下的伯德图，分析找到最恶劣的工作点；

6、步骤3：以最恶劣的工作点作为控制器的设计工作点，并采用比例积分-二阶低通滤波器作为控制器；

7、步骤4：将控制器输出的开关频率控制量送入pwm波发生器，发出pwm波驱动信号，实现对cllc变换器输出电压的控制。

8、在本发明的一方案中：步骤1中所述小信号建模是采用扩展描述函数法，具体步骤包括：

9、步骤a：画出cllc变换器的等效电路图，选取状态变量、输入变量和输出变量，根据基尔霍夫定理列写出电路的状态方程组；

10、步骤b：对各状态变量取一次谐波并分解为正弦分量和余弦分量的叠加，对非线性变量采用扩展描述函数法进行线性化处理；

11、步骤c：将经步骤b处理后的变量代入状态方程组中，令各方程等式左右两边正弦分量、余弦分量和直流分量分别相等，得到线性化状态方程组；

12、步骤d：令稳态下的各状态变量的导数为0，在电路给定的参数下得到稳态方程组的大信号模型，从而解得各稳态变量的数值；

13、步骤e：在稳态下叠加小信号扰动，代入线性化状态方程组中，线性化处理非线性项，并忽略二阶扰动，分离稳态量后得到小信号模型；

14、步骤f：将小信号模型进行求解，得到传递函数和伯德图。

15、在本发明的一方案中：在步骤2中，所述最恶劣的工作点是在伯德图中，幅频特性曲线有着最高谐振峰的工况。

16、在本发明的一方案中：在步骤3中，以比例积分-二阶低通滤波器为控制器的设计步骤是：

17、步骤a：首先设计二阶低通滤波器的参数，包括阻尼系数ξ和截止频率ωlc；

18、步骤b：再根据控制器的设计准则设计其带宽和补偿后的相位裕度，得到比例积分控制器的参数，包括kp和ki；

19、其中，控制器的传递函数表达式为：

20、

21、在本发明的一方案中：所述的控制器的设计准则为：控制器在对cllc变换器补偿后，其开环传递函数伯德图中幅频特性曲线的谐振峰应小于0db，且不能出现二次过零。

22、在本发明的一方案中：在步骤4中，实现对cllc变换器输出电压的控制方法为：

23、将给定的目标电压值与实际输出电压做差，差值送入控制器中，控制器输出开关频率控制量，并将其送入pwm波发生器，再经驱动电路发出pwm波驱动信号，调节原边逆变网络开关管的开关频率，从而实现对输出电压的控制。

24、根据本发明的一种用于cllc变换器的控制器的设计方法，至少具有如下技术效果之一：

25、(1)本发明通过对cllc变换器进行小信号建模，得到变频调制下开关频率控制量到输出电压的传递函数和伯德图，再通过遍历不同的开关频率和负载状况，以伯德图为参考找到最恶劣的工作点，并以此工作点进行控制器设计，实现在所有工况下对输出电压的稳定控制；

26、(2)本发明针对cllc变换器的变频调制方法，采用比例积分-二阶低通滤波器作为控制器，通过设计二阶低通滤波器和比例积分控制器的参数，即先设计二阶低通滤波器的参数，再确定比例积分控制器参数，进而实现对输出电压的稳定控制。相比较传统的比例积分控制器，控制器具有更大的带宽，控制器的响应能力得到加强，从而增加cllc变换器暂态的响应速度，调节时间更短。

27、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种用于cllc变换器的控制器的设计方法，所述cllc变换器包括原边逆变网络、副边整流网络和对称的谐振腔，并采用变频调制对输出电压进行控制，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于cllc变换器的控制器的设计方法,其特征在于，步骤1中所述小信号建模是采用扩展描述函数法，具体步骤包括：

3.根据权利要求1所述的一种用于cllc变换器的控制器的设计方法,其特征在于，在步骤2中，所述最恶劣的工作点是在伯德图中，幅频特性曲线有着最高谐振峰的工况。

4.根据权利要求1所述的一种用于cllc变换器的控制器的设计方法,其特征在于，在步骤3中，以比例积分-二阶低通滤波器为控制器的设计步骤是：

5.根据权利要求4所述的一种用于cllc变换器的控制器的设计方法,其特征在于，所述的控制器的设计准则为：控制器在对cllc变换器补偿后，其开环传递函数伯德图中幅频特性曲线的谐振峰应小于0db，且不能出现二次过零。

6.根据权利要求1所述的一种用于cllc变换器的控制器的设计方法,其特征在于，在步骤4中，实现对cllc变换器输出电压的控制方法为：

技术总结本发明涉及变换器的控制器技术领域，公开了一种用于CLLC变换器的控制器的设计方法，所述CLLC变换器是由原边逆变网络、副边整流网络和结构对称的谐振腔组成，并采用变频调制对输出电压进行控制。本发明通过对CLLC变换器进行小信号建模，得到其传递函数和伯德图，并遍历CLLC变换器运行的开关频率和负载情况，找到最恶劣的工作点进行控制器设计。采用比例积分‑二阶低通滤波器作为控制器，通过设计二阶低通滤波器和比例积分控制器的参数，实现对输出电压的稳定控制。相比较传统的比例积分控制器，控制器具有更大的带宽，控制器的响应能力得到加强，从而增加CLLC变换器暂态的响应速度，调节时间更短。技术研发人员：杨之青,吴周字,汤义辉,李贺龙,赵爽,齐贤斌,丁立健受保护的技术使用者：合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）技术研发日：技术公布日：2024/11/18