基于模塊化多電平拓撲的諧振變換器設(shè)計

遲 震，王麗媛

（1.中天海洋系統(tǒng)有限公司，江蘇 南通 226010；2.中天科技海纜股份有限公司，江蘇 南通 226010）

0 引 言

水下接駁裝置在海洋科學科學研究、海洋資源開發(fā)及海洋災(zāi)害預警等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，高壓直流變換器是水下接駁裝置中重要的電能轉(zhuǎn)換設(shè)備。岸基側(cè)高壓輸電到海底接駁盒，通過高壓直流變換設(shè)備將岸基傳輸?shù)母邏弘娊祲簽榈蛪海５捉玉g盒內(nèi)電源系統(tǒng)再進行二次降壓，為海底設(shè)備提供可靠穩(wěn)定的電能[1]。高壓直流變換裝置需要通過拓撲結(jié)構(gòu)解決高電壓輸入問題，減小每個功率器件的電壓應(yīng)力[2-5]。文獻[6]提出了一種模塊化結(jié)構(gòu)的多相多電平LLC諧振變換器，以3個模塊化結(jié)構(gòu)為例分析了變換器變頻控制策略下的變換器的工作原理，通過基波分析法得到了變換器的等效電路模型，但未考慮到電容的均壓控制。文獻[7]提出了一種半橋型LLC變換器，通過基波分析法對半橋型LLC諧振變換器進行了穩(wěn)態(tài)分析，給出了變換器諧振電容、諧振電感及勵磁電感的設(shè)計方法。文獻[8]提出了MMC控制系統(tǒng)中子模塊控制器的設(shè)計方法，闡述了子模塊控制器在MMC控制系統(tǒng)中的作用，著重從硬件角度介紹了保護和驅(qū)動功能并進行了驗證。文獻[9]對傳統(tǒng)模塊化多電平換流器建立了時域等效模型，提出了快速仿真算法，該算法對子模塊進行近似處理，降低了模型矩陣規(guī)模，提升了仿真速度。

1 變換器拓撲及電路模型

1.1 變換器拓撲結(jié)構(gòu)

模塊化多電平LLC諧振變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，Cin為均壓電容，上下橋臂各由N個子模塊和一個橋臂電感Lr串聯(lián)，Cr為變換器諧振電容，Lm為高頻變壓器勵磁電感，D1～D4為整流二極管。

1.2 諧振單元及整流電路模型

模塊化多電平拓撲采用階梯波調(diào)制方式，可輸出類似半橋拓撲輸出的方波，因此可將模塊化多電平拓撲可近似一個交變電源，簡化后的諧振變換器等效電路模型如圖2所示，Rco是輸出電容Co的等效電阻，Rr是諧振電路的電感與電容的等效寄生電阻。忽略MMC單元的橋臂電壓上升下降沿，施加在諧振腔輸入端的電壓Vin近似為賦值為Vg，占空比為50%的方波。

諧振變換器有兩個諧振頻率，可表示為

式中，Lr為諧振電感；Cr為諧振電容；fr為諧振電感Lr與諧振電容Cr的諧振頻率；Lm為變壓器勵磁電感；fm為諧振電感Lr、勵磁電感Lm的和與諧振電容Cr的諧振頻率。

2 變換器設(shè)計

2.1 變換器諧振單元設(shè)計

采用基波近似法得到的諧振腔等效電路如圖3所示。

圖中橋臂電感和變壓器漏感共同組成諧振電感Lr即

式中，Lleg為橋臂電感；Lk為變壓器漏感。

Req為負載折算到變壓器原邊的等效電阻，表示為：

式中，Ro為負載電阻；Vo為輸出電壓；Po為輸出功率。從上式可看出，等效電阻與負載有關(guān)，因此不同負載下，諧振網(wǎng)絡(luò)增益也有變化。

考慮到功率器件的開關(guān)損耗和變壓器體積等因素，設(shè)定變換器諧振頻率為10 kHz。此時，諧振電感Lr和諧振電容Cr滿足以下關(guān)系：

品質(zhì)因數(shù)Q和電感比λ表達式為

從式6-7中，可以發(fā)現(xiàn)諧振電感Lr、諧振電容Cr和勵磁電感Lm的關(guān)系被諧振頻率fr、品質(zhì)因數(shù)Q和電感比λ所制約，歸一化方波頻率fn、品質(zhì)因數(shù)Q和電感比λ作為變量，諧振網(wǎng)絡(luò)直流增益M與三者關(guān)系表示為

電感比λ不變時，直流增益隨著品質(zhì)因數(shù)Q增大而減小。品質(zhì)因數(shù)Q不變時，直流增益隨著電感比λ增大而增大。變壓器勵磁電感Lm的選取一方面取決于勵磁電流大小，另一方面合適的勵磁電感可讓橋臂子模塊開關(guān)管實現(xiàn)一定的軟開關(guān)，從而降低開關(guān)損耗，取勵磁電感Lm=10 mH。

諧振電容和諧振電感滿足式（6），當勵磁電感一定時，改變諧振電容，諧振電壓也會發(fā)生變化，諧振電壓隨諧振電容增大而減小。諧振電感一定時，變換器直流增益范圍隨諧振電容增大而減小。根據(jù)系統(tǒng)對增益的需求，結(jié)合上述諧振電容、諧振電感對變換器直流諧振增益的影響，選取諧振電感Lr= 844 μH，諧振電容Cr= 300 nF。

2.2 諧振單元控制器設(shè)計

圖4為LLC單元閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖，其中Gc為需要設(shè)計的補償環(huán)節(jié)，Gvco為PFM產(chǎn)生器的頻域模型，Gvw為上述頻率到輸出的傳遞函數(shù)，H為采樣環(huán)節(jié)。

代入系統(tǒng)參數(shù)后，LLC系統(tǒng)開環(huán)本身是穩(wěn)定的，但直流增益較小，為了獲得更好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，需要對該電路進行環(huán)路補償。通常要求補償后的開環(huán)伯德圖的幅值穿越頻率小于諧振頻率的1/10。采用PI補償器，為了滿足穿越頻率wc和整個系統(tǒng)低頻段的增益要求，比例系數(shù)應(yīng)該選取一個合適的值。補償后的系統(tǒng)開環(huán)波特圖如圖5所示。

3 變換器仿真及實驗驗證

為了驗證變換器參數(shù)設(shè)計和控制器設(shè)計，搭建了變換器電路及控制器模型。仿真模擬了輸入電壓10 kV下，0.05 s時變換器從半載到滿載切換，輸出電壓和輸出電流的動態(tài)響應(yīng)如圖6所示。變換器實際半載到滿載測試如圖7所示。從仿真結(jié)果可以看出，變換器從半載到滿載切換過程中，輸出電壓瞬態(tài)變化10 V左右，10 ms后輸出電壓穩(wěn)定，穩(wěn)定后的電壓紋波3 V以內(nèi)，變換器的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差符合變換器設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

為了解決高壓直流變換器的高電壓輸入、輸入輸出電壓變比大的問題，設(shè)計了一種模塊化多電平LLC諧振變換器拓撲，介紹了變換器的工作原理和電路模型，對變換器進行了模型搭建和電路仿真，最后進行了樣機測試，實測和仿真結(jié)果表明，模塊化多電平LLC諧振變換器可以有效解決變換器高電壓輸入問題，變換器動態(tài)響應(yīng)快，輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差小，輸出電壓紋波小。