使用功率扰动法解决CLLC或多谐振系统增益不单调的缺陷思考

使用功率扰动法解决CLLC或多谐振系统增益不单调的缺陷思考

前言：

  在2017年的时候我刚接触CLLC系统时，就遇到了增益曲线不单调的问题。它表现在达到某个负载后，继续降低频率反而输出功率是降低的，这个就是典型的多谐振系统增益曲线不单调的表现。

  为了避免增益不单调的区间出现在我的系统闭环控制中，我会故意把谐振腔的增益拉高，这就需要Lm/Lr的值很小，励磁电流忒大，很影响了效率。但是如若不这么干，就很容易在高电压增益区间上遇见不单调的增益区间，它除了使传统反馈控制失效外，还容易带来纹波，效率差等问题。所以这些年，我就一直在思考如何通过控制方法上来解决这个问题。下图是个典型的CLLC系统，我只是把谐振电感放在了副边。

（CLLC典型框架）

  根据FHA分析方法，可以很容易的推导出正向和反向两个工况的直流增益公式：

两种工作模式的直流增益曲线可见：

1，大Q，大K，系统增益可见明显的两个增益峰：

（CLLC的增益曲线）

2，小Q，小K，可以让增益曲线尽量单调，但是不能解决根本问题：

（调整谐振参数设法减弱反向增益影响）

3，从上面两个增益曲线来分析，尽管你调整了谐振参数也只能优化一个方向的增益曲线，另外一个工作方向的问题依然存在。所以你为了保证两个方向的控制都稳定可靠，就必须想一些其它办法了。还有另外一个问题就是在不同的输出电压和负载条件下，系统的增益曲线也是变化，所以很难保证每个工作点都不落在反向增益区间内。如果你为了可靠性限制一个最低开关频率，这样是可以避免进入反向增益区，但那就很难保证在高增益段能保证高功率输出。

  对于这个问题，我以前是束手无策的，我曾经对同事说过这个是拓扑的特性，很难通过控制方法来弥补。时隔多年后我终于想到了应对之策了，可以说当年的我还是年轻。（还是要多想,,,,,,）

（CLLC 不同的电压和负载调节的增益曲线）

扰动分析方法：

  由于我最近在搞逆变器的东西，最近看到了MPPT(Maximum PowerPoint Tracking)的一种实现方法叫“扰动控制”。

  扰动控制的核心实现思想就是：通过调整和观察判断工作点（PV输出电压）来得知此时系统的工作点是在哪个区域上，比如（图a）中P0对应U0，P1对应U1，P2对应U2。如果把PV的输入电压从U0下降到U1，U1下降到U2，通过多个工作点来确认把PV的输出电压降低后系统的输出功率是升高的，则可以判断此时系统是工作在右侧曲线。反之，如果把PV的输出电压升高（图b），输出功率是升高的，则系统工作在左侧。通过不断的判断和搜索，则可以让系统的工作点锁定在曲线的最大点附近进行工作，满足最高的输出功率。（如果需要更仔细的关于扰动分析的资料，可以去查阅具体文献。）

（MPPT 扰动分析法）

把扰动分析方法放到CLLC系统的实现方法与思考：

  CLLC由于在副边串联电容后，带来了两个谐振峰和反向增益的问题。其实可以借鉴MPPT中扰动分析控制的方法，它们同样是控制变量在越过曲线的顶点后开始增益方向会改变，在PV中输出电压的升高或降低会带来输出功率变化问题，在CLLC中，开关频率对输出功率也会有类似的影响。

  所以可以这样做：不断的改变CLLC系统的工作频率（较小范围），判断系统的输出功率或输出电压是升高还是降低。

  如果通过多个工作点的扰动后，判断出降低工作频率是能提升输出功率或输出电压，则是工作在增益曲线的右侧区域内，此时对应的是我们熟悉的PFM区域，降低频率提升输出功率。

  但是通过扰动分析，通过多个频率工作点的判断发现继续降低工作频率反而是让系统的输出功率或输出电压降低，那就说明已经越过了增益曲线的峰值增益点。就要把控制器的调整方向由降低频率改变为升高频率，然后继续扰动继续测试判断工作区域，最后控制系统收敛到此时CLLC系统的最大功率点。通过扰动分析方法，就可以解决和识别出CLLC系统进入反向增益区和不能维持最大功率输出的问题。如果是恒压模式输出，通过最大功率点扰动分析的方法可能会让输出电压变化，恒流模式则会改变输出电流。

小结：

  通过借鉴MPPT中扰动分析的方法，我提出了一种控制方法可以让控制器得知CLLC系统在当前的增益区间。根据不同的增益区间来改变控制器的输出变量方向，由降频改为升频或者反之，用来提升系统输出，并追踪到系统的最大输出功率点，提升充电系统的速度。同时也解决了在进入反向增益区后传统控制失效的问题，大幅度提升了系统的能控性和可靠性。

  目前来说，在双向DCDC中CLLC应用的非常多，但是都没有很好的解决掉CLLC的反向增益区间工作的问题，也许我提出的这思路能给大家带来更多有益的思考。

  谢谢观看，本人能力有限如果有错误请各位大佬记得告诉我，谢谢。