用于系留式無(wú)人機(jī)高變比諧振變換器設(shè)計(jì)

張雅靜，安琪，程歆然，齊雨陽(yáng)，楊發(fā)輝，呂小峰

(1.北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192；2.中電科(北京)信息測(cè)評(píng)認(rèn)證有限公司，北京 100191)

0 引言

隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，高頻化和輕量化已經(jīng)成為未來(lái)電力電子變換的重要發(fā)展趨勢(shì)。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的日益成熟，近些年提出了“系留式無(wú)人機(jī)”的概念，這種無(wú)人機(jī)將系留浮空技術(shù)與傳統(tǒng)的多翼無(wú)人機(jī)結(jié)合起來(lái)[1-2]，通過(guò)纜繩傳輸電能，能夠有效地延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的工作時(shí)間，滿足全天候多功能工作的需求，并可應(yīng)用于高空基站、邊界巡視等特殊領(lǐng)域，具有較好的應(yīng)用前景。其供電系統(tǒng)由地面供電系統(tǒng)和機(jī)載電源系統(tǒng)兩部分構(gòu)成[3]。

近年來(lái)LLC諧振變換器被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電設(shè)備、航空二次電源、固態(tài)變壓器、光伏系統(tǒng)直流變換器等領(lǐng)域[4-6],可同時(shí)實(shí)現(xiàn)一次側(cè)的零電壓開(kāi)關(guān)和二次側(cè)整流器的零電流開(kāi)關(guān)，當(dāng)輸入電壓、負(fù)載變化范圍較大時(shí)，LLC諧振變換器仍具有優(yōu)良的穩(wěn)壓性能[7-10]。

本文針對(duì)系留式無(wú)人機(jī)高輸入電壓、高開(kāi)關(guān)頻率、高功率密度、高轉(zhuǎn)換效率、大變比的設(shè)計(jì)需求，提出了高變比諧振LLC變換器拓?fù)洌ㄟ^(guò)原邊串聯(lián)、多模塊副邊并聯(lián)的方式滿足其設(shè)計(jì)需求。最后基于PSIM軟件搭建了仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 高變比諧振變換器原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對(duì)系留式無(wú)人機(jī)供電系統(tǒng)要求高變比、大功率的特點(diǎn)，本文提出了基于四變壓器的高變比諧振變換器拓?fù)洌ㄟ^(guò)原邊串聯(lián)、多模塊副邊并聯(lián)有效提高其功率密度，四變壓器諧振網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)及高變比設(shè)計(jì)需求，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，以開(kāi)關(guān)管Q1和Q2構(gòu)成半橋電路，4個(gè)變壓器原邊串聯(lián)輸入，副邊并聯(lián)輸出，變比為n∶1∶1，諧振電感Lr、諧振電容Cr和四變壓器勵(lì)磁電感Lm1～Lm4構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)，4個(gè)變壓器的副邊均為一樣的全波整流電路，DR1～DR8為倍壓整流電路中的二極管，Co1～Co4為輸出電容，輸入、輸出電壓分別為Vin和Vout。

圖1 高變比諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

LLC諧振變換器采用調(diào)頻控制模式，即通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率fs來(lái)改變輸出電壓的大小[6]。在LLC諧振變換器中串聯(lián)諧振電感Lr和諧振電容Cr的串聯(lián)諧振頻率記做fr；Lr加上總勵(lì)磁電感Lm之和與諧振電容Cr的串并聯(lián)諧振頻率記做fm[7]。根據(jù)串聯(lián)諧振頻率fr和串并聯(lián)諧振頻率fm與諧振變換器開(kāi)關(guān)頻率fs的關(guān)系，可以將該變換器工作頻率區(qū)間分為以下3個(gè)工作模態(tài)。

1.2.1 工作模態(tài)I:fm

模態(tài)I工作波形示意圖如圖2所示，分別為開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)電壓Vg-Q1和Vg-Q2，橋臂中點(diǎn)電壓VA，勵(lì)磁電感Lm的電流iLm與諧振電感Lr的電流iLr的波形，諧振電容Cr的電壓vCr，以及流過(guò)副邊兩個(gè)二極管的電流iDR1和iDR2。此時(shí)，勵(lì)磁電感Lm參與諧振，原邊開(kāi)關(guān)管Q1和Q2可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通(zero voltage switching，ZVS)，副邊整流二極管實(shí)現(xiàn)零電流(zero current switching，ZCS)自然關(guān)斷，并且工作在電流斷續(xù)狀態(tài)，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率fr并下降時(shí)，勵(lì)磁電流相對(duì)增加。

圖2 fm

1.2.2 工作模態(tài)II:fs=fr

在工作模態(tài)II 下，原邊開(kāi)關(guān)管Q1和Q2可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。副邊整流二極管可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，并且整流二極管工作在電流連續(xù)狀態(tài)，該模態(tài)工作波形示意圖如圖3所示。

圖3 fs=fr時(shí)工作波形

1.2.3 工作模態(tài)III:fs>fr

在工作模態(tài)III下，當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，勵(lì)磁電感Lm被輸出電壓鉗位，不參與諧振，開(kāi)關(guān)管Q1和Q2可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，勵(lì)磁電感電流相對(duì)較小，但副邊整流二極管不能實(shí)現(xiàn)零電流自然關(guān)斷，副邊二極管被強(qiáng)制換流，在該工作狀態(tài)下副邊無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZCS，其工作波形示意圖如圖4所示。

圖4 fs>fr時(shí)工作波形

2 高變比諧振變換器電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

因本設(shè)計(jì)使用的是半橋結(jié)構(gòu)，所以變壓器原邊輸入電壓為總電路輸入電壓Vin的1/2，而變壓器的副邊除了要考慮輸出電壓外，還要考慮二極管的壓降，故變壓器總變比為

雖然現(xiàn)金流動(dòng)性較強(qiáng)，但其盈利能力并不高。Jenson（1986）提出的自由現(xiàn)金流量假說(shuō)認(rèn)為，如果公司持有過(guò)多不必要的現(xiàn)金，管理者會(huì)不知不覺(jué)地實(shí)施現(xiàn)金濫用，從而盲目地進(jìn)行投資項(xiàng)目，這在無(wú)形之間增加了企業(yè)經(jīng)營(yíng)期間的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，也是對(duì)股東權(quán)益損害較大的一種自私自利的行為。由此可知，董事會(huì)需要抑制這種惡性投資行為來(lái)提高現(xiàn)金配置效率。但是當(dāng)前現(xiàn)狀是不論出于什么樣的原因，很多公司都愿意超額持有現(xiàn)金量以滿足自己的財(cái)務(wù)報(bào)表的需求。

(1)

式中：Vinnom為輸入標(biāo)稱電壓；Vout為輸出電壓；Vd為預(yù)估整流二極管的壓降。

因本文設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮到高變比的原因，選擇的是四變壓器原邊輸入串聯(lián)，副邊輸入并聯(lián)的形式，因此各個(gè)變壓器變比為

(2)

式中N為變壓器總變比。

2.2 副邊等效電阻Rac

設(shè)額定負(fù)載電阻為RL，根據(jù)輸出電壓Vout和輸出功率Po，可得：

(3)

因此，可推導(dǎo)出副邊四路總等效電阻Rac為

(4)

2.3 變換器電壓增益

該變換器獲得最大增益Gmax時(shí)對(duì)應(yīng)最小輸入電壓Vinmin，獲得最小增益Gmin時(shí)對(duì)應(yīng)最大輸入電壓Vinmax。該變壓器在串聯(lián)諧振頻率處有最高效率，考慮整流二極管導(dǎo)通壓降的影響，最大增益Gmax和最小增益Gmin分別為：

(5)

(6)

2.4 諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)

(7)

式中k為總勵(lì)磁電感Lm與諧振電感Lr的比值?？芍刃ж?fù)載越大，品質(zhì)因數(shù)越高，增益越小。因此只要等效負(fù)載最大時(shí)的增益曲線能夠滿足輸入電壓范圍需求即可。為保證LLC諧振變換器在最低輸入電壓下能夠一直保持原邊開(kāi)關(guān)管的ZVS，所以選擇的品質(zhì)因數(shù)Q應(yīng)略小于最大品質(zhì)因數(shù)。

圖5給出了k對(duì)變換器增益的影響。k通常不宜過(guò)大，因?yàn)閗值越大，增益曲線會(huì)越平緩，而k值過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷電流增大，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增大。本文選取k=4。

圖5 k對(duì)變換器增益的影響

諧振電容

(8)

諧振電感

(9)

總勵(lì)磁電感

Lm=k×Lr

(10)

由于4個(gè)變壓器在原邊串聯(lián)，單個(gè)變壓器上的勵(lì)磁電感

(11)

2.5 開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)

因開(kāi)關(guān)頻率處于高頻段的增益小于處于低頻段的增益，故可根據(jù)最大增益來(lái)求最低的開(kāi)關(guān)頻率，同理，根據(jù)最小增益求最高的開(kāi)關(guān)頻率。

最高開(kāi)關(guān)頻率fmax和最低開(kāi)關(guān)頻率fmin分別為：

(12)

(13)

3 高變比諧振變換器仿真分析

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的合理性，本文搭建了基于PSIM的4.8 kW高變比諧振變換器仿真模型。輸入電壓Vin范圍為740～900 V，輸出電壓Vout為25 V，諧振頻率fr為250 kHz，其仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

仿真采用閉環(huán)輸出設(shè)計(jì)，在輸入電壓Vin=740 V、輸出功率Po=4.8 kW條件下，輸出電壓波形如圖6所示，可以看到輸出電壓平均值為25 V，紋波電壓小于5%，輸出電壓波形符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 輸出電壓Vout的波形

模態(tài)I(fs=fr)時(shí)的仿真波形如圖7所示，其中通道1為開(kāi)關(guān)管Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)電壓Vg-Q1和Vg-Q2的波形；通道2為橋臂中點(diǎn)電壓VA的波形；通道3為諧振電流ILr和勵(lì)磁電流ILm的波形；通道4為副邊輸出電流IDR波形。為防止橋臂直通，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為50 ns。可以看到仿真結(jié)果與理論分析一致，可實(shí)現(xiàn)原邊ZVS，副邊ZCS，諧振頻率為250 kHz。

圖7 fs=fr時(shí)其他通道的波形

模態(tài)II (fm

圖8 fm

模態(tài)III(fs>fr)時(shí)，輸出功率Po=4.8 kW條件下的主要輸出波形如圖9所示。從圖中可看出兩個(gè)開(kāi)關(guān)管之間有一個(gè)死區(qū)電壓，防止橋臂直通，流過(guò)勵(lì)磁電感的電流與流過(guò)諧振電感的電流始終不相等，副邊二極管無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZCS,該閉環(huán)控制電路輸出頻率為270 kHz，與理論分析fs>fr時(shí)的工作狀態(tài)下工作波形基本一致。

圖9 fs>fr時(shí)各通道的波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)系留式無(wú)人機(jī)供電系統(tǒng)的高輸入電壓、高開(kāi)關(guān)頻率、高功率密度、高轉(zhuǎn)換效率、大變比的設(shè)計(jì)需求，提出一種高變比諧振LLC變換器拓?fù)洌⒃敿?xì)分析了電路的工作原理。進(jìn)而，依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行理論推導(dǎo)。為驗(yàn)證理論分析的可行性，搭建了4.8 kW仿真模型，并給出了3種不同工作狀態(tài)的波形，驗(yàn)證了理論分析的正確性。