三相交错LLC控制策略研究

邓孝祥 何清林 张 萌

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

自2020年起，我国电动汽车的市场发展迅速，车载充电机作为电动汽车的动力系统也逐渐成为相关研究的重点。车载充电机一般由两级拓扑（前级PFC和后级隔离型DC/DC）构成。其中，隔离型DC/DC拓扑一般选用易实现软开关、传输效率高的LLC变换器。因为三相交错LLC具有降低输出电流纹波的幅值、减少滤波电容的体积以及提高功率密度的作用，所以其更适用于车载充电机。目前，在众多三相交错LLC的控制策略中，一般采用PI控制器对脉冲频率进行调制。文献[1]采用电压环的控制策略，由于电压环只能实现恒压输出，因此容易导致充电进程缓慢。文献[2]采用了恒压和恒流2种控制模式，该控制方式较为简单，但不能自动切换输出模式。文献[3]采用了电压电流双闭环的变模式控制策略，该策略可以应对轻载和空载的极端情况，但控制方式较为复杂，不利于实际应用。该文对上述控制策略进行改进，提出了一种基于双环竞争的脉冲频率调制控制策略，该策略控制方式简单、动态响应良好，能够实现对负载电池进行三段式充电的功能。该文会对该控制策略进行分析，设计其软件控制流程，并搭建仿真模型进行验证。

1 控制策略及充电策略

1.1 双环竞争的变频控制策略

三相交错LLC的双环竞争的变频控制策略如图1所示，其主电路由3个半桥LLC组成，6个开关管交错导通，将能量传输给变压器，再通过整流二极管实现变压器二次侧的不控整流。由于谐振腔中3组谐振电容、谐振电感和励磁电感的参数完全一致，并且变压器原副边采用星型连接，因此变换器具有良好的相间自均流能力。同时，变换器的输出电流纹波小，可以减少输出电容的容值，提高功率密度。

图1 双环竞争的变频控制策略

双环竞争的控制过程如下：在主电路运行后，计算输出电压采样值与给定电压的误差值，通过PI控制器将其转换为频率值，再经过限幅后进行模式判断。同时，计算输出电流采样值与给定电流的误差值，经过PI控制器后输出频率值，再经过限幅后进行模式判断。在模式判断过程中会选择起主导作用的环路去调节开关频率，当电流环在双环竞争中起主导作用且电压环为饱和状态时，变换器恒流输出；当电压环起主导作用且电流环处于饱和状态时，变换器恒压输出。系统在模式判断后会进行脉冲频率调制，开关管的驱动脉冲频率也会随之改变。通过上述控制过程可以实现双环竞争的变频控制，并合理地选择输出模式给负载电池充电。

1.2 充电策略

三相交错LLC变换器需要对负载电池进行充电。如果只采用恒流充电，那么可以在短时间内传输大量电能，但会导致电池过充；如果只采用恒压充电，那么可以改善电池过充问题，但电量经常充不满。针对2种充电模式存在的隐患，该文采用的双环竞争的变频控制可以实现对负载电池进行三段式充电的功能。在充电初期，为了快速地给电池充电，在充电的第一阶段以恒定的大电流给电池充电，恒流充电时电池的电压会不断上升，当输出电压达到预设值时进入充电的第二阶段，以恒定电压给电池充电，在第二阶段后期，电池的电流会逐渐衰减，当衰减到预设值后进入充电的第三阶段，以低于额定的恒定电压对负载电池进行浮充，直至电池电量充满。由于三段式充电的最后阶段是浮充，因此可以通过输出电流的采样值来判断电池电量是否充满，当检测到输出电流低于设定值后，定时器会定时关闭充电过程。

2 双环竞争的软件设计

该文软件控制与程序编写是基于DSP的控制芯片TMS320F280049完成的，在完成主程序和中断程序的设计后，结合双环竞争的变频控制和负载电池的充电策略对控制环路的子程序进行设计，其流程图如图2所示。

图2 控制程序流程图

控制程序实现的过程如下：在中断程序开始后，读取寄存器的值，此时控制模式标志位为0，系统处于初始模式，电池未开始充电，随后进行输出条件检测，当判断条件正常且识别到充电标志位为1时，开始给电池充电。当检测到控制标志位为1时，系统中电流环占主导地位，调节电流环的PI使变换器恒流输出（给电池恒流充电）。当输出电压采样值大于预设值且控制标志位为2时，电压环在占主导地位，电流环饱和，调节电压环PI使变换器恒压输出（给电池恒压充电）。当输出电流采样值小于预设值且控制标志位为3时，变换器中电压环占主导地位，调节电压环PI使变换器以低于额定的恒定电压输出，对电池进行浮充，该阶段充电至输出电流采样值小于预设值。当检测到充电标志位为0且控制标志位也为0时，三段式充电结束，电池电量已充满，中断程序返回。

3 仿真搭建与分析

该文基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了三相交错LLC的仿真模型，设计三相交错LLC变换器的额定输入电压为800 V，额定输出电压为220 V，额定输出电流为50 A，谐振频率范围为80 kHz～130 kHz，谐振点频率为100 kHz。图3是搭建的仿真模型，该模型可实现三相交错LLC变换器双环竞争的变频控制。该仿真模型可以划分为4个部分，下面将对控制过程进行分块介绍。

图3 双环竞争控制仿真模型

3.1 双环竞争模块

结合双环竞争的控制策略，电压环仿真模型搭建思路如下：对输出电压进行采样，计算其与给定电压的差值后进入PI控制器，再增加系统的软启控制，设定启机时用系统的谐振频率100 kHz减去PI控制器的输出，这样变换器启动后系统的开关频率可以由高频降为低频，使启动时刻变换器在安全频率范围内工作。

电压环输出经过限幅后进入输出条件判断模块。电流环搭建过程如下：计算输出电流与给定电流值的差值后进入电流环的PI控制器，同样给电流环增加软启环节，再经过限幅后，进入输出条件判断模块，在判断模块中与电压环输出频率值进行比较，从而得到最终输出的频率值。

3.2 三角波生成器模块

三角波生成器是将判断模块的输出频率值作为积分器（1个带有复位功能的积分器）的输入量，可以使积分器输出一个具有斜率线性上升的三角波，当上升到设定点后积分器会进行复位，最终得到只有上升沿的三角波作为载波。随着双环控制环路输出的频率值的不同，得到的三角波的周期也不同，由此可以实现变换器的变频控制。

3.3 脉冲频率调制模块

该部分会对三角波生成器输出的三角波周期进行划分，定义一个周期为360 °，三相交错的脉冲中每相的周期为180 °，每相的起始点分别为0、1/3和2/3，可以通过切割三角波周期得到相位依次滞后120 °的三相交错脉冲。

3.4 驱动死区模块

由于同一桥臂的开关管不能直通，因此需要设置死区时间，仿真中设置驱动的上升沿延时为500 ns，三路驱动脉冲造完死区后取反，这样可以得到6路带有死区的驱动脉冲，最终作用到开关管上。当三角波的频率发生变化时，驱动脉冲的周期也会变化，由此实现调制脉冲频率的目标。

在仿真模型搭建完成后得到仿真波形。图4为输出电压和输出电流波形，对波形进行分析可知，变换器能够恒压输出220 V，恒流输出50 A，验证了双环竞争的变频控制的稳定性以及PI控制器参数设置的合理性。

图4 输出电压与输出电流

4 结语

该文对三相交错LLC的控制策略进行研究，在以往的单电压环和电压电流双闭环控制策略的基础上，提出了一种改进的双环竞争的变频控制策略，以实现对负载电池进行恒流、恒压以及浮充的三段式充电的功能。为了在软件中实现双环竞争的变频控制，该文结合电池的充电策略设计了软件控制流程。通过MATLAB/Simulink仿真软件搭建了仿真模型，并对双环竞争模块、三角波生成器模块、脉冲频率调制模块以及驱动死区模块的工作过程进行阐述，最后通过得到的仿真波形验证了该控制策略理论的正确性以及可行性。通过理论分析可知，应用双环竞争的变频控制策略的三相交错LLC谐振变换器具有控制模式简单、动态调节特性良好以及应用价值高的优势。