雙向LLC諧振變換器的設(shè)計與仿真

趙紀(jì) 朱飛宇 荊禹鑫 馬崢 鐘欣蒙

摘要：本文對新能源發(fā)電系統(tǒng)用雙向LLC諧振變換器進(jìn)行具體研究，首先對雙向LLC諧振變換器的工作原理進(jìn)行了分析，并對諧振參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計，最后，對雙向LLC諧振變換器在PLECS平臺進(jìn)行仿真分析，搭建1000w，400V/48V的實驗樣機(jī)，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，證實了理論分析和設(shè)計方法的正確性，實現(xiàn)了對新能源發(fā)電系統(tǒng)用雙向LLC諧振變換器的控制。

關(guān)鍵詞：雙向 LLC諧振變換器;諧振參數(shù);PLECS仿真

1.引言

現(xiàn)如今，由于世界各國的需求越來越大，價值也在不斷提高，LLC諧振變換器開始進(jìn)入一些相關(guān)技術(shù)人員的研究視線范圍內(nèi)?，F(xiàn)階段，相關(guān)技術(shù)人員對于LLC諧振變換器的分析基本上都是通過模擬控制的方法。但模擬控制存在很多問題，包括系統(tǒng)的靈活性比較差，結(jié)論的可靠性不高，還有其中涉及到的電路都比較繁瑣復(fù)雜。相對的，數(shù)字控制對于復(fù)雜的電路具有很好的簡化作用，對于一些電子元器件產(chǎn)生的接觸不良或者電磁影響，它也能進(jìn)行很好的檢測和排除[1]，因此對LLC諧振變換器的數(shù)控研究是當(dāng)下一大緊迫任務(wù)。

2.基本原理

由圖1-1可知，雙向LLC諧振變換器主電路是互相對稱的兩個結(jié)構(gòu)，其中D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8：中的IGBT為開關(guān)管;C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8：為寄生電容;L3為勵磁電感;Lr1、Lr2為諧振電感（Lr1=n2Lr2保持同樣的方向特性）;Cr1、Cr2為諧振電容（Cr1=Cr2/n2保持同樣的方向特性）;

n為變壓器變化比例（n=V1/V2）[2]。

變換器分為兩個部分：原邊和副邊。其中，原邊與直流母線相連，輸入電壓為V1;副邊與發(fā)電端或者負(fù)載端相連，輸出電壓為V2。由圖1-1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，變壓器分為左右兩側(cè)。其中，左側(cè)為高壓側(cè)，右側(cè)為低壓側(cè)。正方向：能量或者電力從高壓側(cè)流向低壓側(cè)的運行模式。反方向：能量或者電力從低壓側(cè)流向高壓側(cè)的運行模式。

當(dāng)變換器經(jīng)歷正方向運行模式的時候：開關(guān)管D1、D2、D3、D4接收到占空比為50%的互補(bǔ)驅(qū)動信號，實現(xiàn)逆變功能，此時，開關(guān)管D5、D6、D7、D8沒有接收到驅(qū)動指令，保持停止?fàn)顟B(tài)，通過D5、D6、D7、D8中的二極管部分實現(xiàn)整流操作。當(dāng)變換器經(jīng)歷反方向運行模式的時候：可將勵磁電感等效到變壓器副邊，則結(jié)構(gòu)與正向工作時完全相同，不管變壓器處在哪種工作模式下，都能保證輸入側(cè)功率開關(guān)實現(xiàn)ZCS開通，輸出側(cè)整流二極管ZCS關(guān)斷。

這樣的雙向LLC諧振變換器不僅將一般的LLC諧振變換器的優(yōu)點保留下來了，還能夠根據(jù)將內(nèi)部電路系統(tǒng)進(jìn)行檢測優(yōu)化，使得諧振變換器主電路對稱起來，正反方向的運行模式變得一直便于對雙向LLC諧振變換器分析與設(shè)計。同時，無論諧振變換器正在經(jīng)歷哪個運行過程，都可以滿足—端功率開關(guān)管的ZVS，另一端整流體二極管保證ZCS。因為雙向LLC諧振變換器的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)處于對稱的狀態(tài)，所以他們正反向的工作原理是一樣的[3]。

2.器件選型、參數(shù)計算

雙向LLC諧振變換器的具體參數(shù)設(shè)計指標(biāo)為：

高壓側(cè)電壓V1：400V

低壓側(cè)電壓V2：48V

諧振頻率fr ：100kHz

正向工作的滿載功率1000W

反向工作的滿載功率1000W

工作頻率的范圍為60kHz--100kHz

最大增益為1.05

之后根據(jù)設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行計算參數(shù)：

根據(jù)AP法對磁芯進(jìn)行選擇，最后確定變換器的磁芯為G36型號的罐型磁芯，其Aw=3.45cm2，Ae=2.02cm2，滿足設(shè)計要求。

最大品質(zhì)因素Qmax為：

M為諧振槽路增益，在選取品質(zhì)因數(shù)的時候應(yīng)該保留一定裕度，所以選擇Qmax的百分之五九十五，即Q=0.15當(dāng)k和Q的值確定后可根據(jù)公式（2-2）進(jìn)行計算。

諧振電容Cr：

進(jìn)而可得低壓側(cè)諧振電容Cr2為。

令變壓器變比n為25：3。高壓側(cè)勵磁電感Lm為，高壓側(cè)諧振電感Lr1為：

低壓側(cè)諧振電感Lr2為：

最后，利用所得到的雙向LLC諧振變壓器的具體參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

3.仿真結(jié)果及結(jié)論

從圖3-1可以看出，雙向LLC諧振變換器在正向運行的時驅(qū)動信號Vgs降低至0時，開關(guān)管兩端電壓信號Vds為零，實現(xiàn)了ZVS，從而得知選取的參數(shù)是可行的。副邊二極管實現(xiàn)ZCS[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱立泓.LLC諧振變換器的設(shè)計[D].浙江大學(xué)，2006.

[2]胡海兵，王萬寶，孫文進(jìn)，丁順.邢巖.LLC諧振變換器效率優(yōu)化設(shè)計[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，（18）：48-56+16.

[3]戈現(xiàn)勉.高效率LLC諧振變換器研究[D].浙江大學(xué)，2015.

[4]劉和平.陳紅巖，苗軼如，李金龍，彭東林.混合式LLC電路諧振與同步整流數(shù)字式控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2015，（09）：2272-2278.