MHz高频Buck-Boost LLC变换器的数字环路控制优化研究

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太阳能逆变、数据分析与通信等领域中对宽输入电压范围、高功率密度DC/DC电源有着迫切需求。升降压LLC(Buck-Boost LLC, BBLLC)变换器因其宽输入电压范围、高效率和高功率密度的优势而被受关注。然而目前该类变换器依然存在动态性能和稳定性不足的问题,制约了其应用发展。
  本文第一步研究MHz高频BBLLC变换器的动态性能:首先建立了BBLLC小信号模型,推导输出关于占空比的传递函数。根据传递函数设计数字补偿控制方式,以便快速稳压。其次,为了降低数字延时,使用高分辨率定时器(High Resolution Timer, HRTIM)触发ADC采样的方式,改善ADC采样的速度和精度。另外,调整主函数与中断响应函数的计算时间,降低程序运行周期。最后,针对重载切换轻载的工况,控制器选用非线性控制方案,以快速降低输入功率和输出电容的能量,从而迅速稳定输出电压。基于以上三个方面的优化设计,提高了变换器的动态响应时间,大幅降低了超调量。
  本文第二步研究MHz高频BBLLC变换器的稳定性能:首先,针对HRTIM精度和ADC量化精度不匹配的问题,提高了HRTIM的分辨率,避免产生极限环振荡。其次,改进了占空比D和相移P的计算公式,降低了因输入电压的采样振荡产生的抖动。最后,借鉴传统解耦控制算法,提出了拟合+串行计算的方法控制相移,以避免占空比和相移同时影响前级电感电流。另外,引入双线性插值查表法(Simplified Bilinear Interpolation Look-up Table, SBILUT),以便在拟合相移时实现精度、计算时间和内存消耗的均衡。基于上述三方面的改进设计,降低了前级电感电流包络和输出电压的振荡,提高了变换器的输出稳定性。
  基于上述两方面研究,论文所设计的控制方案在输入 300V-420V,输出 24V/5A-30A 的 Buck-Boost LLC变换器样机平台进行了验证:(1)所设计提升动态性能的控制方案,负载在满载和半载切换时,动态响应时间在1.2ms-1.5ms之间。相比于传统的控制方案,缩短了约5-10倍。此外,输出电压的超调量小于额定电压的 10%。(2)所设计的稳定性能控制方案,前级电感电流包络的振荡降低约40%,可保证变换器在全工作范围内实现稳定输出。
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