本發(fā)明涉及諧振變換器，更具體地說，涉及一種具有tpfc+llc兩級架構的諧振變換器及其控制方法。
背景技術：
1、llc諧振變換器因其一次側開關管能夠實現零電壓開通，二次側整流管能夠實現零電流關斷，從而具有高效率、高功率密度和低電磁干擾等優(yōu)點，被廣泛應用于數據中心服務器電源、通信電源、新能源充電模塊等中高功率dc-dc變換場合。
2、然而，在諸如電池化成測試、實驗室可編程電源、激光電源等要求輸出超寬電壓范圍（例如，輸出電壓需在56v至185v連續(xù)可調，增益變化約3.3倍）的應用中，傳統(tǒng)單一工作模式的llc諧振變換器面臨顯著挑戰(zhàn)：
3、1.開關頻率范圍過寬：為實現寬電壓輸出，llc的開關頻率需在極寬范圍內（例如，從諧振頻率附近到數倍于諧振頻率）變化；在輕載或低壓輸出時，開關頻率會變得極高，導致開關損耗和變壓器磁芯損耗急劇增加，使得變換器整體效率曲線在寬壓范圍內出現嚴重的“凹陷”區(qū)域，平均效率低下。
4、2.輕載/低壓增益能力受限：在輸入電壓固定、輸出電壓要求極低時，llc變換器所需的電壓增益極高，往往已超出其可靠的增益調節(jié)范圍。此時難以維持軟開關條件，諧振腔可能失諧，導致波形畸變、效率驟降，甚至無法穩(wěn)定工作。
5、3.寄生參數影響加劇：在極端的高頻或低頻下，變壓器漏感、繞組寄生電容、功率器件結電容等寄生參數的影響變得不可忽略，會引發(fā)電壓電流尖峰、振蕩，加劇電磁干擾問題，并可能危及開關管的安全。
6、為克服上述缺陷，現有技術中嘗試采用多級變換、多模式切換（如混合全橋/半橋llc）、或增加額外的有源/無源輔助網絡等方法，但這些方案或增加了系統(tǒng)的復雜度和成本，或僅能有限地改善性能，難以在高效、低應力、連續(xù)可調的前提下，系統(tǒng)性解決超寬范圍直流電壓輸出的問題，需要一種可以解決上述問題的低成本的具有tpfc+llc兩級架構的諧振變換器及其控制方法。
技術實現思路
1、本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述缺陷，提供一種具有tpfc+llc兩級架構的諧振變換器，還提供了一種具有tpfc+llc兩級架構的控制方法。
2、本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：
3、構造一種具有tpfc+llc兩級架構的諧振變換器，包括依次連接的輸入濾波模塊、圖騰柱pfc電路、全橋llc諧振腔、全橋同步整流電路以及多模式數字控制單元。
4、所述全橋llc諧振腔包括依次連接的一次側全橋開關電路、諧振電感l(wèi)r、諧振電容cr以及變壓器t1的原邊繞組，其中，所述變壓器t1的激磁電感l(wèi)m等效并聯(lián)在所述原邊繞組兩端。
5、所述多模式數字控制單元被配置為：根據所述變換器的輸出電壓反饋值，將整個目標輸出電壓范圍劃分為至少三個工作區(qū)間，并為每個工作區(qū)間獨立設定對應的母線電壓vbus控制目標與開關頻率fs工作范圍。
6、所述控制單元向所述圖騰柱pfc電路輸出pwm信號以調節(jié)其輸出的母線電壓vbus，并向所述全橋llc諧振腔的一次側開關管輸出pwm信號以調節(jié)其開關頻率fs，通過協(xié)同控制vbus與fs，使所述變換器在任一輸出電壓下均工作于經優(yōu)化的工作模式。
7、進一步地，所述至少三個工作區(qū)間包括高壓區(qū)間、中壓區(qū)間和低壓區(qū)間。在所述高壓區(qū)間，控制所述母線電壓vbus維持在第一高壓范圍，并控制所述開關頻率fs在第一頻率范圍內工作；在所述中壓區(qū)間，控制所述母線電壓vbus維持在低于第一高壓范圍的第二中壓范圍，并控制所述開關頻率fs在高于第一頻率范圍的第二頻率范圍內工作；在所述低壓區(qū)間，控制所述母線電壓vbus在第三低壓范圍內變化，并控制所述開關頻率fs在高于第二頻率范圍的第三頻率范圍內工作。
8、進一步地，在所述高壓區(qū)間，所述全橋llc諧振腔工作于欠諧振模式或準諧振模式；在所述中壓區(qū)間，其工作于接近諧振點的過諧振模式；在所述低壓區(qū)間，其工作于過諧振模式，且所述母線電壓vbus被控制為允許降至略高于交流輸入電壓整流后的電平。
9、進一步地，所述多模式數字控制單元根據輸出電壓反饋值在所述高壓區(qū)間、中壓區(qū)間及低壓區(qū)間之間進行切換，且在切換點設置有滯環(huán)控制邏輯以防止模式振蕩。
10、一種用于上述tpfc+llc諧振變換器的控制方法，該方法由所述多模式數字控制單元執(zhí)行，包括以下步驟：
11、s1采樣步驟：實時采樣所述變換器的輸出電壓vo。
12、s2判斷步驟：將輸出電壓vo與預設閾值進行比較，判斷其所屬的工作區(qū)間，所述工作區(qū)間至少包括高壓區(qū)間、中壓區(qū)間和低壓區(qū)間。
13、s3目標確定步驟：根據所判定的工作區(qū)間，確定對應的母線電壓vbus控制目標值與開關頻率fs控制目標值。
14、s4控制輸出步驟：
15、a.生成并輸出控制所述圖騰柱pfc電路的pwm信號，使其輸出的母線電壓vbus跟蹤所述vbus控制目標值。
16、b.生成并輸出控制所述全橋llc諧振腔一次側開關管的pwm信號，使其開關頻率fs跟蹤所述fs控制目標值。
17、進一步地，所述判斷步驟具體為：
18、預設第一電壓閾值vth1與第二電壓閾值vth2，且vth1>vth2；
19、當vo≥vth1時，判定為高壓區(qū)間；
20、當vth2≤vo<vth1時，判定為中壓區(qū)間；
21、當vo<vth2時，判定為低壓區(qū)間。
22、進一步地，在判斷步驟中采用滯環(huán)比較邏輯，包括：
23、當從高壓區(qū)間向中壓區(qū)間切換時，使用的切換閾值為vth1-δ1；當從中壓區(qū)間向高壓區(qū)間切換時，使用的切換閾值為vth1；當從中壓區(qū)間向低壓區(qū)間切換時，使用的切換閾值為vth2-δ2；當從低壓區(qū)間向中壓區(qū)間切換時，使用的切換閾值為vth2；其中δ1、δ2為滯環(huán)寬度。
24、進一步地，所述目標確定步驟包括：
25、在高壓區(qū)間，控制vbus穩(wěn)定在第一高壓目標值附近，調節(jié)fs在第一頻率范圍內變化；在中壓區(qū)間，控制vbus穩(wěn)定在低于第一高壓目標值的第二中壓目標值附近，調節(jié)fs在第二頻率范圍內變化；在低壓區(qū)間，依據輸出電壓vo動態(tài)設定vbus的目標值，且vbus的目標值隨vo降低而降低，同時調節(jié)fs在第三頻率范圍內變化。
26、本發(fā)明的有益效果在于：通過創(chuàng)新的系統(tǒng)級協(xié)同控制策略，將寬范圍電壓輸出的增益需求進行合理分解與優(yōu)化分配，從而顯著縮小工作頻率變化范圍，全面提升變換器在超寬輸出電壓范圍內的效率、動態(tài)性能與可靠性，具體如下：
27、1.實現了超寬連續(xù)電壓的高效輸出：通過“母線電壓跟隨”與“三段增益模式劃分”的協(xié)同控制策略，將高達3.3倍的總電壓增益需求，分解到三個優(yōu)化設計的子工作模式中；在每個子模式下，所需的頻率調節(jié)比和增益調節(jié)比均被大幅縮小，從根本上避免了傳統(tǒng)方案中開關頻率變化范圍過寬的問題。
28、2.提升了全范圍工作效率：每個工作區(qū)間都被配置在最優(yōu)的(vbus,fs)參數組合下運行；特別是在傳統(tǒng)llc效率最低的低壓輸出區(qū)間，本發(fā)明通過主動降低母線電壓vbus，使llc無需工作在極高的開關頻率下，從而顯著降低了開關損耗和磁芯損耗，填平了效率曲線的“凹陷”，使得整個寬輸出電壓范圍內的平均效率得到大幅提升。
29、3.改善了動態(tài)性能與可靠性：數字控制單元響應快速，兩級變換器協(xié)同控制，模式切換過程平滑，輸出紋波小；滯環(huán)控制邏輯有效防止了模式邊界振蕩；同時，由于開關頻率被限制在合理范圍內（例如，最高不超過200khz），減輕了電路寄生參數的影響，提高了波形質量與系統(tǒng)可靠性。
30、4.解決了輕載/低壓增益不足的難題：在低壓區(qū)間，通過降低vbus來減小llc級所需實現的增益，使得llc諧振腔始終工作在增益能力充足的過諧振區(qū)域，保證了在全電壓范圍內均能維持良好的軟開關特性，解決了傳統(tǒng)llc在低壓滿載時難以工作甚至失諧的問題。