双向LLC谐振电路及其控制策略的研究

2022-07-07梁奇峰庄武良

数字通信世界 2022年6期

关键词：谐振双向增益

梁奇峰，庄武良

（中山火炬职业技术学院，广东中山 528436）

1 相关技术

1.1 LLC-BDC的状态平面分析

1.1.1 工作原理

为了简化分析，我们假设输出电容足够大，而且输出的电压能够一直保持恒定。图1为LLC-BDC变换器当时的稳态时域波形和相应的谐振运行模态。

图1 LLC-BDC稳态时域波形

1.1.2 APWM

当传统半桥LLC谐振变换器采用PFM时，转换器通过提高工作频率来降低电压增益。但开关频率太高，与此同时，在共振参数和质量条件下，对变换器和电器的要求也得到了提高。为了解决这个问题，APWM被用来在事件模式下增加电压[2]。APWM意味着逆变器与桥的下方的关系不同，通过改变工作系数来调节逆变器电压的增加。这种方法可以让转换器最大限度地提高开关频率和下行工作周期的力量，从而扩大转换器输出电压增益的调节范围。

1.1.3 双向LLC谐振型直流变压器的工作原理

DCT输入端是直流线路上的电源，输出端是为负载供电或在并行直流网络中移除电力系统。图2显示电流的方向，从开关的一边到另一边的能量传输被定义为一种状态，从另一边到另一边的电力传输被定义为一种发电模式。当DCT在能量传输模式下运行时，加驭动信号，这样能够实现逆变功能，当不加驭动信号时，采用开关管反并联的二极管进行整流，当直流变压器在发电模式工作时，对应的加驭动信号则实现逆变，当不加驭动信号时则实现二极管整流，从而诱导磁化可以等同于循环的第二部分和工作时的结构。图2所示的DCT可以解释为在发电模式或发电模式下运行的双向电力传输，简单地传输LLC变换器而不附加电路，LLC共振转换器的工作方法可以分为频率和相位控制。

图2 双向LLC谐振型DCT结构

1.2 采用频率调制的变频控制

LLC谐振变换器在实现变频控制时，它的主要工作波形如图3所示，整个开关周期一共包括8个工作阶段，其中早期和后期两个工作阶段的工作条件是相同的。为了说明工作细节，在图3和图4中增加死亡时间，与分析中忽略的过渡时期相比，死亡时间太短了。

图3 变频控制时的主要工作波形

图4 双向LLC变换器的基波等效模型

当k=10时，得到不同口值下的双向LLC谐振变换器的增益曲线，如图5所示。

图5 变频控制时的增益曲线

1.3 采用脉宽调制的移相控制

LLC谐振变换器使用基本的理论波来控制切变阶段，过渡周期一共包括10个工作阶段，其中第一个阶段和最后一个阶段的工作条件是相同的，开关频率等于谐振频率。

当采用移相控制时，谐振电流的谐波分量增多，传统的基本分析方法会出现更多的误差。通过给D赋值，可以确定M的数值解，使得k=10，就可以得到不同Q值下M到D的增益曲线，如图6所示。

图6 定频控制时的增益曲线

由此可见，处于稳态运行状态的L L C 谐振型DCT，当上述两种控制方法实现交汇的时候，其开关频率等于共振频率，这形成了一个工作周期。该区域的最大电位是固定的，并且无论负载如何，该属增益稳定为1且与负载无关。

2 LLC谐振电路控制策略

图7是一个与PI的最佳轨迹混合的控制系统。当系统工作的时候，使用PI来补偿输出电压，调节开关频率。这个时候的轨迹控制规则是根据功率指令（充电电流值）计算出最佳变化和自由时间，并计算出最佳的开关管导通和关断时间，从而保证系统良好的动态性能。

图7 PI撮优轨迹控制控制框图

为了使LCC变换器能够取得最高的效率，在实际的工作中，会将控制区设置在靠近噪声频率点的地方[3]。根据负载越重，路径半径越大的规则，当负载从轻负载跳到重负载时，记录最佳超前功率的 PI 。

谐振腔电流的有效值为

可变形为

2.1 双向LLC谐振型DCT的软启动控制策略

LLC谐振变换器传统的软启动方式采用降频控制，即电器在开始时以最小开关频率运行，然后降低到额定开关频率。本文提出了一种移相控制的软启动控制策略——步进控制的易启动控制策略，可消除起点电流。

2.2 双向LLC谐振型DCT的换向控制策略

输出端可接负载或是发电系统，它是一个恒定流导体，可以连接到加载或输出系统。因此，在电容与负载之间或输出系统之间来判断功率流动的方向，从而确定DCT 的工作模式。电流i0为正时，DCT 工作在供电模式；电流i，从而定义DCT工作模式。当前启用时，DCT 将在电力传输模式下运行；发生故障时，DCT 以发电模式运行。

3 仿真分析

为了进一步验证双向LLC谐振电路控制策略是否正确，本研究通过模拟软件MATLAB进行仿真分析，表1显示仿真结果的有效性。

表1 系统仿真模型参数

在0.08 s时，负载从轻载到重载跳变，谐振电流在开通时为负，开众所周知，通过整容二极管运行的ZVS与整流器中的ZCS之间有间隙，显著减少了整流管的动态损失。图8是负载跳跃时释放电压的波动变体，有负载时最佳电压减少到1.2 V，最佳功率输出时间减少到0.6 ms，工作时间减少到1.8 m，修正时间减少到8 m。