半橋電流饋入型LLC變換器的補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

韓文祥，王春芳

（青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，青島266071）

半橋電流饋入型LLC變換器的補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

韓文祥，王春芳

（青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，青島266071）

由于半橋電流饋入型LLC諧振變換器的工作過程相當(dāng)復(fù)雜，很難建立準(zhǔn)確的小信號(hào)模型，也無法設(shè)計(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償電路?；赟aber仿真軟件，利用時(shí)域仿真的方法獲得電路的波特圖，即可進(jìn)行補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)。制作了一款適用于單板光伏電池逆變器用半橋電流饋入型LLC變換器，通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了補(bǔ)償環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)方法的正確性。

電流饋入；LLC變換器；補(bǔ)償電路；零電流關(guān)斷

引言

傳統(tǒng)LLC諧振變換器以其高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，成為近幾年研究的熱門拓?fù)洌?-2］。文獻(xiàn)［3-4］提出了一種可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷的新型半橋電流饋入型LLC變換器，該變換器適用于輸入低壓大電流的場(chǎng)合，如單板光伏電池等，具有較高的效率，最高可達(dá)95.95%，但目前對(duì)該變換器的研究尚處于起步階段。為實(shí)現(xiàn)變換器的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)及動(dòng)態(tài)指標(biāo)，一般需要引入閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。LLC諧振變換器工作過程復(fù)雜，現(xiàn)有的建模方法［5-6］也很復(fù)雜，且很難建立準(zhǔn)確的小信號(hào)模型。針對(duì)新型半橋電流饋入型LLC變換器的建模方法更是無人研究，文獻(xiàn)［7］提出了一種簡(jiǎn)化的LLC諧振變換器小信號(hào)分析方法。

本文在參考文獻(xiàn)［7］的基礎(chǔ)上，基于Saber仿真軟件，利用時(shí)域仿真的方法，獲得了半橋電流饋入型LLC變換器的波特圖，從而進(jìn)行了補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)。

1 半橋電流饋入型LLC變換器的原理

半橋電流饋入型LLC變換器如圖1所示。該變換器由3部分組成，第Ⅰ部分是采用電流饋入型半橋結(jié)構(gòu)的電流源發(fā)生器，將方波電流饋入到諧振網(wǎng)絡(luò)中；第Ⅱ部分是由2個(gè)電感Lr、Lp和1個(gè)電容Cp構(gòu)成的多諧振回路，該LLC多諧振回路存在2個(gè)諧振點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)管Q1、Q2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電感Lr、Lp和電容Cp共同參與的諧振幫助開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷；當(dāng)開關(guān)管只有1個(gè)導(dǎo)通時(shí)，電感Lp和電容Cp參與的并聯(lián)諧振為變換器提供較高的電壓增益，可以減小變壓器所需的變比；第Ⅲ部分是采用全橋整流電路整流部分，可以在整流二極管導(dǎo)通期間將諧振電容Cp的電壓嵌位至輸出電壓，使得其不能無限制升高，大大減小了諧振網(wǎng)絡(luò)的損耗。

圖1 半橋電流饋入型LLC變換器Fig.1 Half bridge current-fed LLC converter

為實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電流關(guān)斷，2個(gè)開關(guān)管存在同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間即每個(gè)開關(guān)管的占空比必須大于0.5。圖2為用Saber仿真軟件仿真的半橋電流饋入型LLC變換器的波形。開關(guān)管Q2在電流接近零時(shí)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。流過Lr的電流波形同時(shí)體現(xiàn)了2個(gè)開關(guān)管零電流關(guān)斷過程。

圖2 流過開關(guān)管Q2及電感Lr的電流波形Fig.2 Current flowing through Q2and Lr

圖3 電壓增益曲線Fig.3 Voltage gain curves

圖3為不同負(fù)載（即不同QL值）情況下的電壓增益曲線。由曲線可知，該變換器可通過諧振獲得較高的電壓增益，且在一定范圍內(nèi)頻率越高，增益越大。實(shí)際應(yīng)用中，為獲得足夠的電壓增益，該電路一般工作在大于諧振頻率的區(qū)域。

2 時(shí)域仿真分析及補(bǔ)償設(shè)計(jì)

本文基于Saber仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行小信號(hào)分析。圖4為利用Saber仿真軟件對(duì)半橋電流饋入型LLC變換器進(jìn)行開環(huán)小信號(hào)仿真的電路模型。該小信號(hào)仿真電路模型使用了Saber中的環(huán)路掃描儀，即圖4中右下角儀器，它能夠向環(huán)路中注入頻率可變的正弦波信號(hào)，通過測(cè)試反饋信號(hào)，獲得兩者之間的增益和相位關(guān)系，即波特圖。同時(shí)，因?yàn)榘霕螂娏黟伻胄蚅LC變換器是PFM調(diào)制模式，需要加入壓控振蕩器來實(shí)現(xiàn)電路的變頻控制。而壓控振蕩器依據(jù)輸入電壓的大小來改變輸出正弦波的頻率，當(dāng)正弦波與一個(gè)常數(shù)比較時(shí)，可得頻率變化、占空比不變的驅(qū)動(dòng)波形，以此來控制開關(guān)管的導(dǎo)通。

圖5所示為半橋電流饋入型LLC變換器在23 V輸入、350 V輸出、開關(guān)頻率41.5 kHz且大于諧振頻率情況下，控制量開關(guān)頻率對(duì)輸出電壓的波特圖。由波特圖可知，穿越頻率大于20 kHz，穿越頻率表征系統(tǒng)響應(yīng)的快速性能，其值越大，系統(tǒng)的快速性能越好。但對(duì)于開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，過高的穿越頻率可能導(dǎo)致高頻開關(guān)頻率及其諧波和寄生振蕩引起的高頻分量得不到有效抑制，而使系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作，一般取穿越頻率小于1/6的開關(guān)頻率，一般的開關(guān)電源對(duì)于動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求并不十分苛刻，為了保證穩(wěn)定性能，通常穿越頻率都小于1/10的開關(guān)頻率。低頻段斜率太小，系統(tǒng)型別低，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的開環(huán)增益較小，穩(wěn)態(tài)誤差較大。

圖4 開環(huán)半橋電流饋入型LLC變換器小信號(hào)仿真電路模型Fig.4 Small signal simulation model of open loop half bridge current-fed LLC converter

圖5 開環(huán)半橋電流饋入型LLC變換器波特圖Fig.5 Bode plot of open loop half bridge current-fed LLC converter

為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)型別，低頻段需要加-20 dB的補(bǔ)償；為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要減小穿越頻率，把穿越頻率補(bǔ)償?shù)?/10的開關(guān)頻率左右；為了抑制高頻干擾信號(hào)，高頻段幅頻特性需要迅速衰減，也附加-20 dB的補(bǔ)償。針對(duì)以上分析，本文采用單零點(diǎn)雙極點(diǎn)補(bǔ)償電路，補(bǔ)償電路和波特圖如圖6所示。

圖6 單零點(diǎn)雙極點(diǎn)補(bǔ)償電路及其波特圖Fig.6 Bipolar single zero compensation circuit and bode plot

則單零點(diǎn)雙極點(diǎn)補(bǔ)償電路對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)為

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

用Saber仿真軟件對(duì)補(bǔ)償后的電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。負(fù)載突變時(shí)輸出電壓波形如圖8所示。在負(fù)載突變的瞬間電壓下降，但很快便又穩(wěn)定到350 V左右。

圖7 補(bǔ)償后系統(tǒng)的波特圖Fig.7 Bode plot of system after compensation

圖8 負(fù)載突變時(shí)輸出電壓Fig.8 Output voltage with load step change

本文制作了一個(gè)輸入23 V、輸出350 V，功率200 W的變換器，其諧振電路參數(shù)如下：Lr＝6 μH，Lp＝260 μH，Cp＝68 nF，其中Lp為變壓器的勵(lì)磁電感，采用DSPIC30F2020作為控制芯片。半橋電流饋入型LLC變換器輸出電壓波形如圖9所示。由圖9（a）可見，該開環(huán)電壓波形存在較大的超調(diào)量，達(dá)到了70%。對(duì)上述補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)進(jìn)行雙線性變換，可得到適用于單片機(jī)編程的公式?；贒SPIC30F2020，為變換器加上了補(bǔ)償環(huán)節(jié)，補(bǔ)償后閉環(huán)半橋電流饋入型LLC變換器輸出電壓波形見圖9（b）。由圖9（b）可見，電壓快速穩(wěn)定到350 V且沒有超調(diào)量。

圖9 半橋電流饋入型LLC變換器的輸出電壓波形Fig.9 Output voltage waveform of half bridge current-fed LLC converter

4 結(jié)語

本文分析了半橋電流饋入型LLC變換器的工作原理，基于Saber仿真軟件，利用時(shí)域仿真的方法獲得了電路的波特圖，并進(jìn)行了補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過軟件時(shí)域仿真為半橋電流饋入型LLC變換器設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，其方法簡(jiǎn)單、可行且結(jié)果準(zhǔn)確，可應(yīng)用于該類變換器的實(shí)際設(shè)計(jì)過程。

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Design of Compensation Circuits for Half Bridge Current Fed LLC Converter

HAN Wenxiang，WANG Chunfang
（School of Automation Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China）

For the complicated work procedure of half bridge current-fed LLC converter，it’s difficult to establish an accurate small signal model and to design compensation circuits.Based on Saber simulation software，bode plot was obtained through time-domain simulation method in the article.Compensation circuits were designed.A half bridge current-fed LLC converter suit to signal photovoltaic inverter was built.The simulation and experimental results verify the correctness of the compensation circuits and design methods.

current-fed；LLC converter；compensation circuits；zero current switch（ZCS）

韓文祥

馬思源

韓文祥（1991-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)應(yīng)用的研究，E-mail：269472719@qq.com；

王春芳（1964-）通信作者，男，博士，副教授，研究方向：電能變換及其先進(jìn)控制技術(shù)方面的研究，E-mail：qduwcf@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.114

：TM 464

：A

2014-06-25

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011YD01080）

ProjectSupportedbyScienceand Technology Development PlanProjectofShandongProvince（2011YD01080）