雙向全橋CLLC 諧振式DC-DC 變換器的研究*

馮唯真， 盛義發(fā)， 李佩文， 鄒 霽， 鄒賢政

（1.南華大學(xué)電氣工程學(xué)院， 湖南 衡陽 421001；2.漣源市庫區(qū)移民事務(wù)中心， 湖南 漣源 417100）

新能源汽車具有節(jié)能環(huán)保、 經(jīng)濟(jì)性好、 效率高， 舒適度高、 噪聲低等優(yōu)點， 但是其續(xù)航里程受到電池技術(shù)與充電環(huán)境的制約。 車網(wǎng)互動技術(shù)提出要充分加強(qiáng)車網(wǎng)高效互動， 提升清潔能源消納， 對于服務(wù)雙碳目標(biāo)， 推動新能源汽車融入新型電力系統(tǒng)有著重要意義。 新能源汽車通過雙向充電器與電網(wǎng)進(jìn)行能量雙向流動， 從而參與電網(wǎng)調(diào)度，對電網(wǎng)有著削峰填谷的積極作用。

1 新型CLLC諧振式DAB

1.1 雙有源橋式DC-DC變換器（Dual active bridge，DAB）

雙 向DC/DC 變 換 器 （Bidirectional DC/DC Converter，BDC） 根據(jù)有無隔離功能分為兩種： 隔離型和非隔離型。非隔離型BDC拓?fù)洳缓儔浩鳎?不能實現(xiàn)電氣隔離， 一般只應(yīng)用于小功率的場合， 故新能源汽車雙向充電器采用隔離型雙有源橋式DC-DC變換器 （Dual active bridge， DAB），如圖1所示。

圖1 DAB變換器拓?fù)鋱D

DAB的結(jié)構(gòu)簡單， 電路能實現(xiàn)軟開關(guān)， 常采用移相控制， 但存在功率回流， 有時會喪失軟開關(guān)特性， 導(dǎo)致變換器的能量利用率下降。 針對此問題， 設(shè)計一種新型雙向全橋CLLC諧振式DC-DC變換器， 該變換器是在原拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中嵌入諧振單元， 提出一種基于PID控制器的電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)， 形成了諧振型雙向全橋DC-DC變換器， 以拓寬ZVS范圍、 降低關(guān)斷損耗， 提高能量利用率。

1.2 雙向全橋CLLC諧振式DC-DC變換器

設(shè)計的新型雙向全橋CLLC諧振式DC-DC變換器如圖2所示。 該電路的原邊全橋是由Q、 Q、 Q、 Q這4個開關(guān)管組成， C是該電路原邊的諧振電容， C是該電路副邊的諧振電容， L是該電路原邊的諧振電感， L是該電路副邊的諧振電感， T是該電路中的高頻隔離變壓器， 副邊全橋由Q、 Q、 Q、 Q這4個 開 關(guān) 管 組 成。 電 路 拓 撲 中 定 義： V、V分別為變換器兩端的電壓， V、 V分別為變壓器原副邊兩側(cè)的電壓， L并聯(lián)在高頻電壓器的兩端， 是高頻變壓器的勵磁電感， 實際情況下， L將會集成到變壓器中。 C、C在電路中發(fā)揮隔直的作用， D~D是反向并聯(lián)的二極管，C~C是開關(guān)管之間并聯(lián)的寄生電容。 正向工作時， D~D作為開關(guān)管使用； D~D的驅(qū)動封鎖作為整流二極管使用，反向工作時， 則相反。 故而以下分析皆以正向工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖2 雙向全橋CLLC諧振式DC-DC變換器

假設(shè)電路已工作在穩(wěn)定狀態(tài)， 其工作波形如圖3 所示。由波形可知， CLLC 諧振變換器的周期存在4 種運(yùn)行模態(tài)，又因由于其前半周期與后半周期對稱， 故而只需要對前兩種模態(tài)進(jìn)行研究， 詳細(xì)分析如下。

圖3 工作波形

1） 運(yùn) 行 模 態(tài)1 （[t， t]階段）： 對應(yīng)的等效電路圖如圖4所示。

圖4 模態(tài)1電路

在t時刻， 原邊開關(guān)管Q、Q關(guān)斷， Q、 Q開通， 原邊全橋輸出電壓 V由-V升至V。 原邊電流i在t時刻極性為負(fù)， 先下降至0， 極性轉(zhuǎn)正， 接著上升至峰值后再下降， 至t時刻與勵磁t電流i相等， 副邊電流i也開始從0上升， 極性為負(fù)， 達(dá)到峰值后又下降， t時刻又歸零， 并流過二極管D和D。 i和i的波形近似為正弦波， 而勵磁電流i則接近于線性變化。

2） 運(yùn)行模態(tài)1 （[t， t]階段）： 對應(yīng)的等效電路模態(tài)如圖5所示。

圖5 模態(tài)2電路

在t時刻副邊電流i降低至0， Q和Q關(guān)斷， 而此時副邊全橋輸出電壓V不足以使Q和Q導(dǎo)通， 所以副邊全橋中的所有器件均將處于關(guān)斷狀態(tài)。 副邊諧振電感、 副邊電容將退出諧振過程， i保持為0， 實現(xiàn)了零電流關(guān)斷 （ZCS）。 諧振網(wǎng)絡(luò)由原邊諧振電感、 原邊諧振電容和勵磁電感一起構(gòu)成， 所以此時i和i保持相等， 呈線性上升趨勢， 且上升速率低于前一模態(tài)， 這段時間內(nèi)由副邊濾波電容來維持負(fù)載功率。

在t時刻， 原邊開關(guān)管動作， V的極性由正變負(fù)， 電路進(jìn)入負(fù)半周期。 此時Q和Q關(guān)斷， Q和Q開通， i在此時的極性為正， 在死區(qū)時間內(nèi)換流至D和D， 使Q和Q的漏級D、 源級S兩端電壓降至0， 使其實現(xiàn)了零電壓開通 （ZVS）。

1.3 CLLC諧振變換器增益特性

利用基波分析法， 可以得到CLLC變換器的基波等效電路， 如圖6所示。

圖6 CLLC諧振變換器的基波等效電路模型

式中： n——變壓器變比； R——輸出負(fù)載。 由此可以求得基波等效電路的傳遞函數(shù)為：

化簡整理得：

由此可知， 諧振變換器增益特性受k值和Q值的影響，通過改變這兩個參數(shù)可以調(diào)整諧振變換器的增益特性。 圖7~圖8為電壓增益與k、 Q的關(guān)系圖。

圖7 不同k值下的關(guān)系圖

圖8 不同Q值下的關(guān)系圖

2 實驗

通過在MATLAB/Simulink中搭建的相關(guān)電路仿真模型，搭建的變換器采用電壓電流雙閉環(huán)控制， 其核心為PID控制器， 輸出電流作為內(nèi)環(huán)， 輸出電壓作外環(huán)， 其輸出波形如圖9~圖13所示。

由圖9、 圖10的仿真結(jié)果， 結(jié)合前文分析， 可以看出該CLLC諧振變換器的開關(guān)管很好地實現(xiàn)了軟開關(guān)； 圖11可以看出輸出電流電壓的誤差波動均在0.1%以下， 足以證明該變換器的穩(wěn)定性能優(yōu)秀； 圖12、 圖13可以看出輸出電流與輸出電壓均在0.0025s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定， 可以看出其動態(tài)響應(yīng)快速。

圖9 驅(qū)動信號和漏源極之間的電壓波形

圖10 勵磁電流與諧振電流波形

圖11 輸出電流波形

圖12 輸出電壓波形

圖13 輸出電壓電流放大波形

3 結(jié)語

首先對CLLC雙向變換器的工作模態(tài)進(jìn)行了分析， 然后對其電壓增益展開了討論， 提出了一種基于PID控制器的電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)， 最后在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。 實驗證明， 該變換器的穩(wěn)定性強(qiáng)， 動態(tài)響應(yīng)快速， 實現(xiàn)了能量的雙向流動與完全的軟開關(guān)化。