寬增益多模式的三相LLC諧振變換器

孫曉鈺，劉春喜

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

0 引言

新能源汽車的出現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的平衡所邁出的重要一步。如今市面上的新能源汽車的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)并沒有統(tǒng)一，滿足不同型號汽車充電對充電樁中DC-DC變換器的性能提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1～4]。

LLC諧振變換器因其良好的特性廣泛的應(yīng)用在充電樁領(lǐng)域[5,6]。為了實(shí)現(xiàn)寬增益范圍，LLC諧振變換器的調(diào)頻范圍較寬，在開關(guān)頻率較高時會導(dǎo)致?lián)p耗增加。目前對寬增益與工作頻段的研究主要分為三類。第一類方法是將拓?fù)浼壜?lián)，構(gòu)成多級電路。文獻(xiàn)[7]中提出一種四開關(guān)Buck-Boost+LLC級聯(lián)變換器，后級LLC變換器工作在諧振頻率附近，通過調(diào)節(jié)Buck-Boost電路的占空比，實(shí)現(xiàn)電路增益的調(diào)節(jié)。采用級聯(lián)的方案在電路中增加前級或者后級電路，使得電路的控制方式變得復(fù)雜，同時額外的元器件增加了電路的成本。第二類方法是增加元器件，改變諧振參數(shù)[8]。文獻(xiàn)[9]中提出一種高增益對稱型LCLC諧振變換器，將一個LC支路并聯(lián)于變壓器的一次側(cè)代替勵磁電感，可以增大變換器電感比實(shí)現(xiàn)寬范圍的增益。文獻(xiàn)[10]提出了一種雙變壓器拓?fù)?，在諧振回路中串聯(lián)了變壓器和一組雙向開關(guān)管，副邊增加了整流橋。通過對開關(guān)管的控制，變換器的諧振參數(shù)和變壓器變比發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)寬范圍的增益。這類方法需要在電路中加入了額外元件，使變換器的體積進(jìn)一步增加。同時，增加的元器件改變了原有的增益曲線，使變換器的參數(shù)設(shè)計變得復(fù)雜。第三類方法是改變電路的控制方式，從而實(shí)現(xiàn)寬增益[11]。文獻(xiàn)[12]在半橋三電平LLC變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上提出一種三段式的混合控制策略，在高增益的情況下采用調(diào)頻控制，在中增益采用移相控制。當(dāng)達(dá)到移相角臨界值時，采用變頻burst控制。通過控制模式的切換，拓寬了增益范圍。這種方法需要在電路中加入其他的檢測電路，控制方式較為復(fù)雜。

針對上述的問題，本文提出了一種寬增益多模式的三相LLC諧振變換器。采用變頻控制的方式，通過對逆變側(cè)開關(guān)管驅(qū)動的改變，電路可工作在低增益、中增益、高增益三種模式。通過模式的切換實(shí)現(xiàn)窄工作頻段和連續(xù)的寬電壓增益。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該拓?fù)涞目尚行浴?/p>

1 變換器工作原理

1.1 變換器電路拓?fù)?/h3>

開關(guān)管Q1～Q7構(gòu)成三個半橋橋臂，D1～D7和C1～C7分別為開關(guān)管Q1～Q7的體二極管和寄生電容。T1，T2，T3、Lr1，Lr2，Lr3、Lm1，Lm2，Lm3和Cr1，Cr2，Cr3分別為變壓器、諧振電感、勵磁電感和諧振電容。三個變壓器變比相同，三相諧振參數(shù)相同。D8～D20為整流二極管。根據(jù)所需增益對開關(guān)管Q1～Q7的控制，電路可以工作在低增益、中增益、高增益三種模式，從而滿足增益要求，得到相應(yīng)的輸出。

該拓?fù)渑c傳統(tǒng)的三相LLC諧振變換器相比，原邊逆變部分加入一個開關(guān)管，增加了電路自身的自由度，使電路可以工作在三種模式。副邊的整流部分是由三個整流橋串聯(lián)構(gòu)成。與三相整流相比，通過串聯(lián)的方式可以擴(kuò)大輸出電壓。

圖1 變換器電路拓?fù)?/p>

1.2 工作原理

1）低增益模式

低增益模式的簡化電路和主要工作波形如圖2所示。開關(guān)管Q1、Q6保持持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管Q3、Q4、Q7斷開，開關(guān)管Q2、Q5的驅(qū)動信號互補(bǔ)，并且含有死區(qū)。變壓器T3不工作。實(shí)現(xiàn)主要整流作用的是D8～D11、D12～D15。在該模式下，兩個諧振槽均工作在半橋狀態(tài)，變壓器T1、T2原邊A、B兩點(diǎn)與B、C兩點(diǎn)之間的輸入電壓均為0～Vin的方波，兩個變壓器向負(fù)載側(cè)傳輸能量，流經(jīng)兩相諧振電感的電流大小相等。

圖2 低增益模式的工作狀態(tài)

2）中增益模式

在該模式下的簡化電路和主要工作波形如圖3所示，開關(guān)管Q4持續(xù)導(dǎo)通，開關(guān)管Q2、Q5斷開，開關(guān)管Q1、Q6的驅(qū)動信號相同，開關(guān)管Q3、Q7的驅(qū)動信號與之互補(bǔ)，即對角驅(qū)動。由于第二相的開關(guān)管斷開，變壓器T1、T2的原邊相當(dāng)于串聯(lián)，A、C兩點(diǎn)之間輸入電壓為-Vin～Vin的方波。變壓器T3原邊C、D兩點(diǎn)間輸入電壓為0～Vin的方波。變壓器整流側(cè)三個H橋均參與主要的整流工作。流經(jīng)諧振電感Lr1、Lr2的電流相等，并且相位相差180度。

圖3 中增益模式的工作狀態(tài)

3）高增益模式

在該模式下，電路逆變部分的工作方式與傳統(tǒng)三相橋式逆變相同，具體簡化電路如圖4(a)所示。開關(guān)管Q7保持持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管Q1和Q4、Q2和Q5、Q3和Q6共三組，每組的驅(qū)動信號互補(bǔ)且?guī)в兴绤^(qū)，三組之間的驅(qū)動信號各相差120度。變壓器T1、T2、T3原邊為角形連接變壓器，副邊連接對應(yīng)的H橋。主要的工作波形如圖4(b)所示，每個變壓器原邊輸入電壓均為-Vin～Vin的三電平方波，流經(jīng)諧振電感Lr1、Lr2、Lr3的電流相位相差120度，每相電流的幅值相等。

圖4 高增益模式的工作狀態(tài)

2 增益特性分析

2.1 交流等效電阻

由于每個模式下諧振槽的工作情況不同，在分析電路等效電阻的時候，針對每個諧振槽進(jìn)行分析。根據(jù)模式的不同，輸入電壓可以分為0～Vin的半橋狀態(tài)，-Vin～Vin的全橋狀態(tài)，-Vin～Vin的三相橋狀態(tài)。當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入為0～Vin的半橋狀態(tài)，-Vin～Vin的全橋狀態(tài)時，交流等效電阻為：

當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入處于-Vin～Vin的三相橋狀態(tài)。該狀態(tài)下電壓的幅值雖然與全橋狀態(tài)相同，但三相橋狀態(tài)存在電壓值為零的區(qū)間，即波形為三電平方波。將輸入電壓進(jìn)行傅里葉展開可以得到：

同樣，可以得到輸入電壓vi3的基波有效值為：

則諧振腔的輸出電壓的有效值Vd3.F為：

等效負(fù)載上的電流基波表達(dá)式為：

輸出電流為等效負(fù)載電流的平均值，則

根據(jù)式(4)和式(6)，當(dāng)變壓器變比為n:1時，得到交流等效電阻為：

2.2 增益特性分析

通過基波等效分析法，對變換器的增益特性進(jìn)行分析。根據(jù)變換器工作模式圖2(a)～圖4(a)，可以總結(jié)出變換器三個模式的基波等效模型如圖5所示。

圖5 變換器基波等效電路模型

在低增益模式的工作情況下，基波等效電路如圖5(a)所示。VAB、VBC為0～Vin的方波，即原邊側(cè)兩個半橋同時向副邊傳遞能量，即每個諧振槽對應(yīng)一半的等效負(fù)載。由于兩相諧振參數(shù)相同，則每個諧振槽的對應(yīng)的電感比和品質(zhì)因數(shù)為：

在中增益模式的工作情況下，變換器的基波等效電路如圖5(b)所示。VCD為0～Vin的方波，即工作在半橋狀態(tài)，VAC為-Vin～Vin的方波，即工作在全橋狀態(tài)。每個諧振槽對應(yīng)的等效負(fù)載為Req1/3，則每個諧振槽的對應(yīng)的電感比和品質(zhì)因數(shù)為：

在高增益模式的工作情況下，變換器的基波等效電路為圖5(c)。VAB、VBC、VCD為-Vin～Vin的三電平方波，工作在三相橋狀態(tài)。每個諧振槽對應(yīng)的等效負(fù)載為Req3/3，則電感比和品質(zhì)因數(shù)分別為：

利用基波等效分析法和圖6(a)所示的等效電路可以得到變換器每個諧振槽的電壓增益為：

其中，fn=fs/fr，fn、fs和fr分別為歸一化頻率、工作頻率和諧振頻率。

通過電壓增益的表達(dá)式可以看出，造成增益變化的主要因素為k、Q。根據(jù)對電感比和品質(zhì)因數(shù)推導(dǎo)，三種模式的諧振槽的電壓增益存在G1＞G2＞G3的關(guān)系。公式15所表示的為變換器的輸出電壓，從中可以看出變換器輸出電壓是由模式中每個諧振槽的增益和輸入電壓、變壓器變比和諧振槽數(shù)量決定的?？傠妷涸鲆嫒缡?16)所示。由于高增益模式中每個諧振槽輸入電壓周期的三分之一為零電平，在進(jìn)行電壓增益計算時要進(jìn)行處理。

根據(jù)上述分析，可以得到變換器在各個模式下諧振槽對應(yīng)的參數(shù)和總電壓增益，將其總結(jié)如表1所示。

表1 諧振槽參數(shù)與電壓增益

利用MATLAB繪制三個模式的增益曲線如圖6所示。其中黑色圓點(diǎn)表示模式間的切換點(diǎn)，黑色加粗曲線代表變換器的工作過程。從圖中曲線可以看出，通過模式間的切換，變換器可以實(shí)現(xiàn)較寬的增益范圍。圖7為傳統(tǒng)三相星形連接LLC諧振變換器的增益曲線[13]，與圖6中增益曲線對比，雖然可以實(shí)現(xiàn)0.8～2.1倍的增益范圍，但是，最高工作頻率達(dá)到200kHz，工作頻段為46kHz～200kHz。而圖6中拓?fù)涞墓ぷ黝l段為67kHz～150kHz，明顯工作頻率更窄，減少了變換器高頻段的損耗，也更有利于后續(xù)磁件的設(shè)計。

圖6 三個模式下的增益曲線

圖7 三相星形連接LLC諧振變換器的增益曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為了驗(yàn)證本文中提出的寬增益多模式的三相LLC諧振變換器的可行性，設(shè)計并搭建了1.4kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖8所示。根據(jù)階段式充電特點(diǎn)，將具體的工作模式分為恒流階段和恒壓階段。恒流階段為低增益、中增益、高增益切換運(yùn)行，輸出電流恒為3.3A，輸出電壓為160V～420V。恒壓階段主要是處于高增益模式，輸出電壓為420V。樣機(jī)的具體參數(shù)如表2中所示。

圖8 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表2 主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9～圖11是在恒流階段變換器低增益模式至高增益模式的實(shí)驗(yàn)波形。圖9為變換器工作在低增益模式下的實(shí)驗(yàn)波形，此時變換器輸出電壓為190V。輸入電壓均為0～400V的兩電平方波，流經(jīng)兩個流經(jīng)諧振電感Lr1、Lr2的電流ir1、ir2相等，即兩個諧振槽傳輸?shù)墓β氏嗟?。圖10為變換器工作在中增益模式的情況下輸入電壓和流經(jīng)諧振電感Lr1、Lr3的電流波形，此時輸出電壓為290V。其中，VAC是-400～400V的兩電平方波，VCD是0～400V的兩電平方波。圖11為變換器工作在高增益模式的實(shí)驗(yàn)波形，此時輸出電壓為390V。輸入電壓VAB為-400～400V的三電平方波，三相諧振電流波形之間相等，存在著120°相位差，可以看出三個諧振腔傳遞的功率相等。

圖9 低增益模式實(shí)驗(yàn)波形

圖10 中增益模式實(shí)驗(yàn)波形

圖11 高增益模式實(shí)驗(yàn)波形

在恒壓階段變換器的實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示。變換器輸入電壓為400V。圖12(a)、圖12(b)分別為變換器在滿載、10%負(fù)載的情況下的輸出電壓、諧振電流波形，從圖中可以看出輸出電壓為420V。

圖12 恒壓階段實(shí)驗(yàn)波形

從恒壓階段和恒流階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，變換器的工作波形與圖2～4中波形一致，驗(yàn)證了變換器理論分析的正確性。同時，通過三個模式的切換工作，變換器可以輸出160V～420V電壓，即實(shí)現(xiàn)了0.8～2.1倍的寬增益范圍。

圖13輸出電壓與工作頻率的關(guān)系曲線。從圖中可以看出變換器工作頻率在為67kHz～150kHz之間，在實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的寬增益范圍的同時，變換器可以維持在較窄的工作頻率范圍。

圖13 工作頻率曲線圖

圖14是變換器的效率曲線。變換器從低增益模式開始切換，直到高增益模式，輸出電壓逐漸升高。同時，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的效率和工作頻率范圍，選擇260V、360V作為模式的切換點(diǎn)。在輸出電壓為285V時，效率最高可以達(dá)到93.5%。

圖14 效率曲線

4 結(jié)語

針對LLC諧振變換器應(yīng)用于汽車充電領(lǐng)域存在增益范圍小的問題，提出了一種寬增益多模式的三相LLC諧振變換器。本文通過對所選電路的三個模式進(jìn)行分析，推導(dǎo)等效電阻，建立基波等效模型，從而得到了變換器在各個工作模式下的增益曲線。最后制作了一臺1.4kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證理論分析的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過三個模式的切換工作，變換器實(shí)現(xiàn)0.8～2.1倍的寬增益范圍，同時，變換器工作頻率在67kHz～150kHz之間，實(shí)現(xiàn)增益要求的同時變換器工作在較窄的頻段。變換器最高效率達(dá)到了93.5%。