雙向CLLLC型DC-DC變換器變頻控制方法分析

張 路，劉耿博，曹彥哲

（西安麥格米特電氣有限公司，陜西 西安710075）

變換器變頻控制屬于核心技術(shù)，可以對(duì)PET整體效率產(chǎn)生影響，另外和功率、密度的關(guān)系也十分緊密，是近幾年P(guān)ET研究的熱門。隨著現(xiàn)實(shí)用電需求的逐年遞增，供電網(wǎng)壓力劇增，對(duì)于電力行業(yè)來說，巨大挑戰(zhàn)下也隱藏著機(jī)遇，怎樣在電力系統(tǒng)中高質(zhì)量融入可再生能源，成為社會(huì)關(guān)注焦點(diǎn)，是電力系統(tǒng)亟需完成的核心任務(wù)。變換器變頻控制技術(shù)的提升，是智能電網(wǎng)升級(jí)的前提，應(yīng)用前景較為廣闊。

1 CLLLC變換器的運(yùn)行原理分析

1.1 CLLLC變換器的結(jié)構(gòu)

在能源日益緊張的背景下，變換器變頻控制被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)，其優(yōu)越性在使用中被逐漸凸顯出來，可以起到節(jié)能環(huán)保的顯著作用，應(yīng)用價(jià)值越來越高。想要對(duì)變換器控制方法進(jìn)行優(yōu)化，創(chuàng)新出效果理想的控制策略，需了解變換器的運(yùn)行機(jī)理，掌握其核心構(gòu)件，了解各構(gòu)件的組成關(guān)系，確保變換器功能發(fā)揮。CLLLC變換器較為常見，應(yīng)用范圍較廣，從拓?fù)潢P(guān)系中可以明顯看出其結(jié)構(gòu)特征，屬于完全對(duì)稱的狀態(tài)。

CLLLC諧振變換器拓?fù)淙鐖D1所示。CLLLC諧振變換器拓?fù)涞倪\(yùn)行原理相對(duì)復(fù)雜，正向工作時(shí)，發(fā)生作用的是S1與S12，處于正向工作狀態(tài)時(shí)，兩點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)比較強(qiáng)烈，和S14與S13形成勢(shì)均力敵的局面，占空比達(dá)到了50%。另外，從圖1還可以發(fā)現(xiàn)，開關(guān)S11和S12存在一定聯(lián)系，可以同時(shí)導(dǎo)通，但是兩者依舊有區(qū)別，S1的關(guān)斷時(shí)間要早于S12[1]。像這樣的情況，也可以發(fā)生在開關(guān)S14和S13身上，兩者也是同時(shí)導(dǎo)通的，S14會(huì)被提早關(guān)斷。通過觀察S12和S13的位置關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，兩者的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，占空比為50%，實(shí)際控制時(shí)，無論是哪種互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，都會(huì)存在比較明顯的死區(qū)時(shí)間。同理，反向工作時(shí)，逆變功能依舊存在，可以實(shí)現(xiàn)不控整流功能。此時(shí)變換器結(jié)構(gòu)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，與正向工作原理相同。綜上可以發(fā)現(xiàn)，無論是正向還是反向，其原理不會(huì)存在較大差異，變換器可以在沒有額外電路情況下，完全發(fā)揮出軟開關(guān)特性，換句話說就是，整流二極管最終能夠達(dá)到ZCS，主功率管能夠達(dá)到ZVS。

圖1 CLLLC諧振變換器拓?fù)?/p>

1.2 諧振工作過程分析

除了掌握變換器結(jié)構(gòu)之外，想要充分理解其運(yùn)行原理，找到變頻控制策略優(yōu)化的切入點(diǎn)，還需要了解諧振工作過程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全面、細(xì)致、深入分析，以便進(jìn)一步提高變頻控制效率。CLLLC諧振變換器的性能較為顯著，具有一定的代表性，工作在諧振點(diǎn)呈現(xiàn)出主要波形規(guī)律。在諧振點(diǎn)時(shí)，無論輸入電壓發(fā)生怎樣的變化，即使處于負(fù)載條件下，最終所得到的增益M均為1。另外，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，能量傳播路徑被切斷，不再完成從一次側(cè)到二次側(cè)的傳播，代表一個(gè)工作周期結(jié)束，并且恰好完成了諧振的過程。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，可以完成對(duì)寄生電容的高質(zhì)量充放電動(dòng)作，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS，并且ZCS狀態(tài)也將實(shí)現(xiàn)，此時(shí)變換器達(dá)到理想運(yùn)行狀態(tài)。

2 諧振參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

掌握了變換器運(yùn)行原理后，接下來就可以進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化工作，重點(diǎn)對(duì)諧振參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和重新設(shè)計(jì)，以此來保障系統(tǒng)的性能。其中ZVS軟開關(guān)條件的優(yōu)化十分重要。一般情況下，開關(guān)管處于工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)伴隨不同電壓電流出現(xiàn)，形成較為復(fù)雜的相位關(guān)系，一種是超前電壓，這種情況較為常見，當(dāng)管子處于尚未關(guān)斷的狀態(tài)時(shí)就有反向電流流過，那么此時(shí)的開關(guān)管電流顯示為0 A，基于這樣的狀態(tài)，想要實(shí)現(xiàn)ZVS是不可能。與此同時(shí)，寄生二極管的作用將會(huì)被弱化，在反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，橋臂直通的可能性將大幅度提升，從而增大電源損壞概率。另外一種是滯后電壓，這種電壓的存在，為開關(guān)管達(dá)到理想狀態(tài)創(chuàng)造了條件。通常情況下，當(dāng)開關(guān)管還沒有被完全導(dǎo)通時(shí)，在開關(guān)管中會(huì)存在一股反向電流，這種電流可以幫助開關(guān)管達(dá)到ZVS的狀態(tài)，因此要善于借助這種反向電流，從而改善系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量與效率，提高穩(wěn)定性。

3 高效率控制策略

在對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，為了保證系統(tǒng)可以達(dá)到理想的控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)安全、可靠運(yùn)行，大幅度提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，減少故障的發(fā)生，需要針對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)階段的運(yùn)行特征，提出高效控制變頻的方法，以此來實(shí)現(xiàn)資源的合理化利用，提高電網(wǎng)配置的科學(xué)性與合理性。另外，采用高效率的控制策略，還可以提高抗沖擊能力，對(duì)NPC電容形成有利保護(hù)，并且進(jìn)一步優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)，確保CLLLC變換器具有軟啟動(dòng)功能，并且能夠平穩(wěn)完成電壓的持續(xù)輸出，由此可見，控制策略掌握與應(yīng)用非常重要。與此同時(shí)，諧振變換器在運(yùn)行階段，常用PFM控制，這種控制系統(tǒng)有一定的特殊性，在負(fù)載較輕時(shí)，結(jié)合相關(guān)的開關(guān)頻率理論，需要調(diào)節(jié)到最大值，才能確保發(fā)揮出實(shí)際功效[2]。因此，為了達(dá)到這樣的使用效果，磁性元件設(shè)計(jì)往往相對(duì)復(fù)雜。為了改善這種應(yīng)用現(xiàn)狀，提高變頻控制器的利用率，開展CLLLC相關(guān)方面的研究變得十分重要，具有積極意義，為電網(wǎng)高效、安全運(yùn)行提供保障。經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐，目前較為有效的變頻控制策略主要有以下幾種。

3.1 軟啟動(dòng)控制方法

軟啟動(dòng)控制方法的功效性十分顯著，是一種應(yīng)用較廣的控制策略，將其應(yīng)用到變頻系統(tǒng)中，可以完成對(duì)系統(tǒng)性能的改良，讓系統(tǒng)性能更加平穩(wěn)。CLLLC諧振變換器的作用隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大也逐漸顯現(xiàn)出現(xiàn)，當(dāng)其正常啟動(dòng)時(shí)，通常情況下，會(huì)處于一種默認(rèn)狀態(tài)，允許一次側(cè)NPC電容完成充電指令，此時(shí)的輸出電壓為0。基于這樣的前提，可以直接使用基于PFM控制的信號(hào)去完成驅(qū)動(dòng)，對(duì)一次側(cè)開關(guān)管進(jìn)行控制，從相關(guān)的等效電路中可以清晰看出，橋臂輸出電壓呈現(xiàn)出較為明顯的特征，已經(jīng)全部加在CLLLC諧振上，在此基礎(chǔ)上，可以持續(xù)完成對(duì)二次側(cè)NPC的充電。值得注意的是，在此過程中，會(huì)有較大沖擊電流出現(xiàn)，基于這樣的前提，擊穿開關(guān)管的概率將會(huì)提高，出現(xiàn)過壓?jiǎn)栴}，導(dǎo)致諧振電容損壞，另外NPC電容的安全性也無法保障。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)CLLLC變換器的控制效率降低，控制時(shí)主要是利用調(diào)整開關(guān)頻率來降低增益，最終啟動(dòng)控制系統(tǒng)。這樣的方式存在嚴(yán)重的滯后問題，局限性十分明顯，當(dāng)頻率達(dá)到定值時(shí)，想要提高頻率就會(huì)十分困難，不能有效降低增益。與此同時(shí)，在控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到開關(guān)管的特性局限，影響開關(guān)頻率?？偠灾?jiǎn)單的高頻啟動(dòng)不能等同于理想的啟動(dòng)效果，低電壓安全啟動(dòng)較難達(dá)到，必須在原有控制策略的基礎(chǔ)上引用軟啟動(dòng)來保證CLLLC功能性發(fā)揮，確保其可以安全啟動(dòng)運(yùn)行，并且降低故障率。

3.2 輸出電壓滯環(huán)控制方法

除了軟啟動(dòng)之外，電壓滯環(huán)控制方法也是一種較為有效的控制手段，可以達(dá)到理想的控制目標(biāo)，大幅度提高系統(tǒng)控制效率。結(jié)合CLLLC變換器的原理可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其處于輕載條件下，輸出端電阻值會(huì)達(dá)到很高，可以滿足穩(wěn)壓需要的工作頻率要求，但是不利于設(shè)計(jì)和優(yōu)化磁性元件，另外還會(huì)提高對(duì)開關(guān)管性能和驅(qū)動(dòng)板效率的要求，使要求變得相對(duì)嚴(yán)格。從目前的情況看，想要對(duì)變換器的輕載問題進(jìn)行改良，主要還是依靠調(diào)整開關(guān)頻率的方法，降低其頻率，實(shí)現(xiàn)合理控制。

本文研究對(duì)象是一種基于電壓滯環(huán)的Burst PFM先進(jìn)控制方法，該方法一經(jīng)提出，就得到了廣泛應(yīng)用，并且成效十分顯著，可以大幅度提高系統(tǒng)控制效率。研究表明，當(dāng)系統(tǒng)處于輕載狀態(tài)下時(shí)，Vo（輸出電壓）會(huì)出現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，并最終超出可以調(diào)節(jié)范圍，此時(shí)就可以引入Burst_PFM工作模式，確保輸出電壓V的值穩(wěn)定。

3.3 同步整流數(shù)字控制方法

除了上述方法外，還可以依靠同步整流數(shù)字的方法來實(shí)現(xiàn)高效控制，實(shí)踐表明，當(dāng)開關(guān)管在不控整流狀態(tài)下，關(guān)斷損耗會(huì)比較明顯。導(dǎo)通壓降特性（寄生二極管的）是影響運(yùn)行效率的核心因素，不容忽視。導(dǎo)通損耗用公式可以表示為：p=VF·I，式中VF為導(dǎo)通壓降，I為電流有效值。

為了提升系統(tǒng)效率，借助同步整流技術(shù)，可以達(dá)到較為理想的目標(biāo)。但是該技術(shù)的應(yīng)用也存在一定的難點(diǎn)，那就是無法在正確的時(shí)刻匹配合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電流倒灌問題比較突出[3]。隨著用電壓力增加，供電系統(tǒng)中變換器的使用頻率越來越高，為了進(jìn)一步提高控制效率，解決傳統(tǒng)CLLLC變換器效率低的現(xiàn)實(shí)問題，本文重點(diǎn)對(duì)雙向DC-DC變換器的原理和重要參數(shù)進(jìn)行了分析，通過研究其運(yùn)行特性，找到了提高控制效率的方法，全新的變頻控制方法得到了有效應(yīng)用。

4 結(jié)論

綜上所述，通過理論分析可以總結(jié)歸納出以下兩點(diǎn)：CLLLC變換器可以實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS，穩(wěn)定性較為理想；全新提出的變頻控制方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)輸入電壓突變時(shí)，采用以上控制策略，可以有效改變驅(qū)動(dòng)電壓，合理控制維持輸出電壓，使其穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)作用比較突出。