一种虚拟变电感及其控制电路和控制方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202410129732.4 | 申请日 | 2024-01-30 | 公开(公告)号 | CN117977913A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 广东工业大学; | 发明人 | 张桂东; 刘泽龙; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种虚拟变电感及其控制 电路 和控制方法，该虚拟变电感包括：2个电感、2个双向电容、2个功率 开关 管。 谐振电路 的谐振电感设计一直是电 力 电子 领域的一个难题和关键技术，它对谐振电路的运行至关重要，传统的谐振电路会根据实际工况来设计谐振电感，但是无法适用于新的工况，因此需要重新设计。本发明所提出的虚拟变电感可以替代谐振电路中的谐振电感且可同时实现电感值的动态调节。具体的，通过调节虚拟变电感中的功率开关管的占空比实现电感值在一定范围内的调节，与已有可变电感相比，本发明整体体积和功率损耗减小，本发明还提出相应的控制电路和控制方法，使得该虚拟变电感可以更灵活地适应不同的输入 电压 范围。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种虚拟变电感，其特征在于，包括：第一电感L1、第二电感L2、第一双向电容C1、第二双向电容C2、第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第一寄生二极管Doss1、第二寄生二极管Doss2； |
||||||
| 说明书全文 | 一种虚拟变电感及其控制电路和控制方法技术领域[0001] 本发明涉及虚拟变电感技术领域，具体涉及一种虚拟变电感及其控制电路和控制方法。 背景技术[0002] 谐振电路的谐振电感在电路中起着重要的作用，它决定着整个谐振电路能否正常运行。传统的谐振电感在某些方面存在一些局限性，例如固定的电感值无法适应新的工况，可能导致效率下降或失调。 [0004] 因此，为了实现电感可调，减小电感体积和功率损耗，本发明提出一种虚拟变电感及其控制电路和控制方法。 发明内容[0006] 针对上述技术问题，本发明采用如下技术方案： [0007] 本发明提供了一种虚拟变电感，包括：第一电感L1、第二电感L2、第一双向电容C1、第二双向电容C2、第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第一寄生二极管Doss1、第二寄生二极管Doss2； [0008] 本发明提供了用于一种虚拟变电感的控制电路包括：运算放大器AMP、电阻R1、第一加法器SUM1、第二加法器SUM2、第一A/D采样电路ADC1、第二A/D采样电路ADC2、控制模块、驱动模块； [0009] 可选地，虚拟变电感输入阻抗值Zin由控制电路控制第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2占空比d，令第一电感L1与第二电感L2相等且等于电感L，令第一双向电容C1与第二双向电容C2相等且等于双向电容C，可得到复频域下Zin(s)与d的关系为： [0010] [0011] 式中，L为电感值，C为电容值，d为功率开关管的占空比，s为复频域。 [0012] 可选地，虚拟变电感的控制方法，包括如下步骤： [0014] 步骤2：第一采样电压V1与第一电压参考值Vref1通过第一加法器SUM1比较输出第一差值eV1；第二采样电压V2与第二电压参考值Vref2通过第二加法器SUM2比较输出第二差值eV2； [0015] 步骤3：第一差值eV1送入第一A/D采样电路ADC1中经过A/D转换输出第一电压信号Vf1；第二差值eV2送入第二A/D采样电路ADC2中经过A/D转换输出第二电压信号Vf2，第一电压信号Vf1和第二电压信号Vf2分别送给控制模块； [0016] 步骤4：控制模块将第一电压信号Vf1作为内部数字闭环控制程序的输入信号，如果第一差值eV1小于0，则控制模块根据第一电压信号Vf1输出第一功率开关管Q1导通、第二功率开关管Q2关断的控制信号至驱动模块；如果第二差值eV1大于0，则控制模块根据第一电压信号Vf1输出第一功率开关管Q1关断、第二功率开关管Q2导通的控制信号至驱动模块，同时控制模块根据第二电压信号Vf2的数值输出相应频率的功率开关管控制信号至驱动模块； [0017] 本发明提供了一种虚拟变电感及其控制电路和控制方法，通过调节虚拟变电感的功率开关管的占空比改变输入阻抗，使得谐振电路可以更灵活地适应不同的输入电压范围。本发明解决了改变线圈匝数，改变磁芯材料的磁导率来改变电感值采用的铁芯体积大、功率损耗大且控制方式复杂的技术问题。附图说明 [0018] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。 [0019] 图1为本发明一种虚拟变电感及其控制电路和控制方法的结构示意图。 [0020] 图2为本发明虚拟变电感的结构示意图。 [0021] 图3为本发明提供的一种基于虚拟变电感的LLC谐振变换器一个实施例的结构示意图。 [0022] 图4为本发明提供的一种基于虚拟变电感的LLC谐振变换器一个实施例的控制方法的流程图。 [0023] 图5为本发明提供的一种基于虚拟变电感的LLC谐振变换器一个实施例的仿真实验图。 具体实施方式[0024] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0025] 参考图1，一种虚拟变电感，包括：第一电感L1、第二电感L2、第一双向电容C1、第二双向电容C2、第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第一寄生二极管Doss1、第二寄生二极管Doss2； [0026] 第一电感L1的第一端连接第二双向电容C2的第一端，第一电感L1的第二端与第一双向电容C1的第一端、第一功率开关管Q1的漏极连接；第二电感L2的第一端连接第一双向电容C1的第二端，第二电感L2的第二端与第二双向电容C2的第二端、第二功率开关管Q2的漏极连接。 [0027] 用于一种虚拟变电感的控制电路包括：运算放大器AMP、电阻R1、第一加法器SUM1、第二加法器SUM2、第一A/D采样电路ADC1、第二A/D采样电路ADC2、控制模块、驱动模块； [0028] 运算放大器AMP负输入端与输入电流I1、电阻R1的第一端连接，运算放大器AMP正输入端接地，运算放大器AMP输出端与电阻R1的第二端、第一采样电压V1连接，第一加法器SUM1的负输入端连接第一采样电压V1，第一加法器SUM1的正输入端连接第一电压参考值Vref1，第一加法器SUM1的输出端连接第一A/D采样电路ADC1的第一端，第一A/D采样电路ADC1的第二端连接控制模块的第一输入端；第二加法器SUM2的负输入端连接第二采样电压V2，第二加法器SUM2的正输入端连接第二电压参考值Vref2，第二加法器SUM2的输出端连接第二A/D采样电路ADC2的第一端，第二A/D采样电路ADC2的第二端连接控制模块的第二输入端，控制模块输出端连接驱动模块的第一端，驱动模块的第一输出端连接第一功率开关管Q1的栅极，驱动模块的第二输出端连接第二功率开关管Q2的栅极。 [0029] 参考图2，将虚拟变电感在第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2开通和关断的状态下用二端口网络分别计算出输入阻抗Zin1(s)和Zin2(s)，如公式1所示： [0030] [0031] 虚拟变电感的输入阻抗值Zin(s)由控制电路控制第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2占空比d，令第一电感L1与第二电感L2相等且等于电感L，令第一双向电容C1与第二双向电容C2相等且等于电容C，然后得到复频域下输入阻抗值Zin(s)的平均值与d的关系为： [0032] [0033] 式中，L为电感值，C为电容值，d为开关管的占空比且d∈[0,1]，s为复频率，由于电感、电容器件的阻抗随频率的变化而变化，因此将时域转换到复频域进行阻抗分析。 [0034] 由式2可知输入阻抗值Zin(s)是占空比d的函数，可以控制占空比d以及设计虚拟变电感中电感和电容的大小使得输入阻抗值Zin(s)具有感性阻抗特性。 [0035] 令s＝jω，将公式2进行改写，可得到时域下Zin(jω)与d的关系为： [0036] [0037] 只含有电感的二端口网络的输入阻抗Zin(jω)为： [0038] ZL(jω)＝jωL (4) [0039] 式中，ω为角频率。 [0040] 将公式3和公式4对比可知，将公式3中的分式尽可能接近所需要的电感值即可实现虚拟变电感的作用。 [0041] 参考图2，第一功率开关管Q1的源极连接第二功率开关管Q2的源极，第一功率开关管Q1的栅极触发导通时第二功率开关管Q2的栅极触发关断，电流流经第一功率开关管Q1的漏极和源极以及第二寄生二极管Doss2；第二功率开关管Q2的栅极触发导通时第一功率开关管Q1的栅极触发关断，电流流经第二功率开关管Q2的漏极和源极以及第一寄生二极管Doss1。 [0043] 直流电源Vin，向LLC谐振变换器提供电压； [0044] 控制电路包括：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、第一信号调理电路Kv1、第二信号调理电路Kv2、第一加法器SUM1、第二加法器SUM2、第一A/D采样电路ADC1、第二A/D采样电路ADC2、控制模块、驱动模块、方波发生器VQ、非门INV、第一延时电路KT1、第二延时电路KT2、第一与门AND1、第二与门AND2，霍尔电流传感器采集原边半桥电路的输出电流，霍尔电流传感器的输出端连接第一信号调理电路Kv1的第一端，第一信号调理电路Kv1的第二端连接第一加法器SUM1的负输入端，第一加法器SUM1的正输入端连接第一电压参考值Vref1，第一加法器SUM1的输出端连接第一A/D采样电路ADC1的第一端，第一A/D采样电路ADC1的第二端连接控制模块的第一输入端；霍尔电压传感器采集电压，霍尔电压传感器的输出端连接第二信号调理电路Kv2的第一端，第二信号调理电路Kv2的第二端连接第二加法器SUM2的负输入端，第二加法器SUM2的正输入端连接第二电压参考值Vref2，第二加法器SUM2的输出端连接第二A/D采样电路ADC2的第一端，第二A/D采样电路ADC2的第二端连接控制模块的第二输入端，控制模块输出端连接驱动模块的第一端，驱动模块的第一输出端连接第三功率开关管Q3的栅极，驱动模块的第二输出端连接第四功率开关管Q4的栅极，方波发生器VQ产生方波信号，方波发生器VQ输出端与非门INV的第一端、第一延时电路KT1的第一端、第一与门AND1的第一输入端连接，第一延时电路KT1的第二端连接第一与门AND1的第二输入端，非门INV的第二端与第二与门AND2的第一输入端、第二延时电路KT2的第一端连接，第二延时电路KT2的第二端连接第二与门AND2的第二输入端； [0045] 原边半桥电路包括：第一功率开关管Q1、第一寄生二极管Doss1、第二功率开关管Q2、第二寄生二极管Doss2，根据第一与门AND1和第二与门AND2输出的驱动信号和直流电源Vin产生方波信号，第一功率开关管Q1的漏极连接直流电源Vin的正极，第一功率开关管Q1的源极与第二功率开关管Q2的漏极、霍尔电流传感器的原边正电压端连接，第二功率开关管Q2的源极端连接原边地，第一功率开关管Q1的栅极端连接第一与门AND的输出端，第二功率开关管Q2的栅极端连接第二与门AND2的输出端； [0046] 谐振腔电路包括：虚拟变电感、谐振电容Cr、等效励磁电感Lm，虚拟变电感的第一端连接霍尔电流传感器的第二端，虚拟变电感的第二端连接谐振电容Cr的第一端，等效励磁电感Lm的第一端连接谐振电容Cr的第二端，等效励磁电感Lm的第二端连接原边地； [0047] 虚拟变电感包括：第一电感L1、第二电感L2、第一双向电容C1、第二双向电容C2、第三功率开关管Q3、第三寄生二极管Doss3、第四功率开关管Q4、第四寄生二极管Doss4，第一电感L1的第一端与霍尔电流传感器的原边负电压端、第二双向电容C2的第一端连接，第一电感L1的第二端与第一双向电容C1的第一端、第三功率开关管Q3的漏极连接；第二电感L2的第一端与第一双向电容C1的第二端、谐振电容Cr的第一端连接，第二电感L2的第二端与第二双向电容C2的第二端、第四功率开关管Q4的漏极连接；第三功率开关管Q3的栅极连接驱动模块的驱动信号的第一驱动信号输出端，第四功率开关管Q4的栅极连接驱动模块的驱动信号的第二驱动信号输出端； [0048] 副边全桥电路包括：副边第一整流二极管D1、副边第二整流二极管D2、副边第三整流二极管D3、副边第四整流二极管D4、输出电容C0、电阻R0，副边第一整流二极管D1的阳极与变压器副边绕组的同名端、副边第二整流二极管D2的阴极连接，副边第一整流二极管D1的阴极与副边第三整流二极管D3的阴极、输出电容C0和电阻R0的正端连接；第二整流二极管D2的阳极与第四整流二极管D4的阳极、输出电容C0和电阻R0的负端连接并接到副边地；第三整流二极管D3的阳极接至第四整流二极管D4的阴极和变压器副边绕组的异名端； [0049] 变压器，其原边绕组同名端与谐振电容Cr的第二端、等效励磁电感Lm的第一端连接，其原边绕组异名端连接等效励磁电感Lm的第二端和原边地，其副边绕组同名端连接第一整流二极管D1的阳极，其副边绕组异名端连接第四整流二极管D4的阴极。 [0050] 参考图3和图4，控制电路对LLC谐振变换器控制步骤为： [0051] 步骤1：霍尔电流传感器对原边半桥电路的输出端进行采样，将采样到的输入电流信号转换为电压信号送入第一信号调理电路Kv1；霍尔电压传感器对LLC谐振变换器的输出端进行采样，将采样到的输出电压信号送入第二信号调理电路Kv2； [0052] 步骤2：第一信号调理电路Kv1输出第一采样电压V1并与第一电压参考值Vref1通过第一加法器SUM1比较输出第一差值eV1；第二信号调理电路Kv2输出第二采样电压V2并与第二电压参考值Vref2通过第二加法器SUM2比较输出第二差值eV2； [0053] 步骤3：第一差值eV1送入第一A/D采样电路ADC1中经过A/D转换输出第一电压信号Vf1；第二差值eV2送入第二A/D采样电路ADC2中经过A/D转换输出第二电压信号Vf2，第一电压信号Vf1和第二电压信号Vf2分别送给控制模块； [0054] 步骤4：控制模块将第一电压信号Vf1作为内部数字闭环控制程序的输入信号，如果第一差值eV1小于0，则控制模块根据第一电压信号Vf1输出第三功率开关管Q3导通、第四功率开关管Q4关断的控制信号至驱动模块；如果第一差值eV1大于0，则控制模块根据第一电压信号Vf1输出第三功率开关管Q3关断、第四功率开关管Q4导通的控制信号至驱动模块，同时控制模块根据第二电压信号Vf2的数值输出相应频率的功率开关管控制信号至驱动模块，对LLC谐振变换器进行闭环控制，从而共同调整输出侧直流电压； [0055] 步骤5：方波发生器VQ输出的方波信号与第一延时电路KT1延时后输出的延时信号在第一与门AND1计算后输出PWM‑H信号到第一功率开关管Q1，方波发生器VQ输出的方波信号经过非门INV输出的方波信号与第二延时电路KT2延时后输出的延时信号在第二与门AND2计算后输出PWM‑L信号到第二功率开关管Q2。 [0056] 参考图3和图5，图3和图5分别描绘了不同输入电压下基于虚拟变电感的LLC谐振变换器的仿真实验的关键波形。具体为：图(a)：Vin＝380V，V0＝47.6V；谐振参数Lm＝67μH，Cr＝22nF，L1＝L2＝1μH，C1＝C2＝0.4μH，变压器匝比n＝Np：Ns＝16：4；图(b)：Vin＝400V，V0＝47.7V；谐振参数Lm＝67μH，Cr＝22nF，L1＝L2＝1μH，C1＝C2＝0.4μH，变压器匝比n＝Np：Ns＝ 16：4。实验结果表明，不同输入电压下，基于虚拟变电感的LLC谐振变换器均可实现原边功率开关管的零电压开通以及输出电压的不变。由此可见，基于虚拟变电感的LLC谐振变换器可以实现闭环运行，并实现了适应不同的输入电压范围。 [0057] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术与科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。 [0058] 本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制，仅仅用于将第一个元件与另一个元件区分。 [0059] 需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，他可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。 [0060] 以上的实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；对本发明所公开的实施例的说明，使本领域的专业技术人员能够使用或实现本发明，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些替换或者修改，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。 |
||||||
