文獻(xiàn)筆記9---LLC-DCX變換器并機(jī)諧振網(wǎng)絡(luò)及均流優(yōu)化

前言

LLC變換器在諧振頻率處可以實(shí)現(xiàn)效率最大，并能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、具有低的EMI等優(yōu)點(diǎn)，在大功率場合得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)應(yīng)用中雙向LLC-DCX變換器在儲能PCS系統(tǒng)中被應(yīng)用，通過多模塊并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。多模塊并聯(lián)中，不均流問題是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，往往微小的諧振參數(shù)，導(dǎo)致各模塊電流不均衡，嚴(yán)重情況會導(dǎo)致模塊的損壞。已有學(xué)者針對不均流問題展開研究，提出了通過優(yōu)化諧振網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)現(xiàn)并機(jī)均流，并研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對所提出的優(yōu)化方法進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了優(yōu)化方法的有效性。

1 概述

模塊化是大容量電力電子設(shè)備未來發(fā)展的必然趨勢，LLC變換器本身不具備良好的并聯(lián)效果，器件受工藝水平的影響，諧振網(wǎng)絡(luò)中的元件存在較大誤差，而該參數(shù)對均流效果產(chǎn)生較大的影響。已有研究表明，諧振參數(shù)偏差5%可導(dǎo)致電流不均衡度達(dá)到50%，因此LLC的并機(jī)均流問題研究具有重要意義。

現(xiàn)主流的均流方法分為兩類：一是調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；二是采用數(shù)字控制技術(shù)，針對這兩種技術(shù)目前具有研究，其中數(shù)字控制技術(shù)控制復(fù)雜，某些條件下實(shí)現(xiàn)較為困難。因此，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或參數(shù)優(yōu)化上進(jìn)行研究，是一種較為有效的方法。本次研讀的文獻(xiàn)是通過優(yōu)化諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，提升LLC-DCX變換器的自然均流性能，無需采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)各模塊之間的解耦、該方法最大限度簡化控制和降低成本。LLC的正向等效電路和增益曲線如圖1所示。

2 雙向LLC-DCX并聯(lián)特性優(yōu)化

對LLC-DCX正向外特性分析可得輸出電壓隨著負(fù)載電流的增大而減小，形成負(fù)載調(diào)整率，輸出電壓的負(fù)載調(diào)整率由增益的負(fù)載調(diào)整率和內(nèi)阻壓降兩個(gè)因素共同決定。推導(dǎo)得正向增益的負(fù)載調(diào)整率表達(dá)式為

圖2給出了負(fù)載調(diào)整率與電感比之間的關(guān)系。

從圖2看出，當(dāng)電感比足夠大時(shí)基本可以消除正向增益的負(fù)載調(diào)整率，輸出電壓的負(fù)載調(diào)整率基本只與內(nèi)阻壓降有關(guān)。但電感比不能無窮大，這樣會丟失ZVS，設(shè)計(jì)中需要折衷。

忽略負(fù)載調(diào)整率，考慮內(nèi)阻壓降，根據(jù)變換器正向輸出電壓表達(dá)式得到內(nèi)阻的表達(dá)式為

根據(jù)雙向LLC-DCX的正向外特性分析其多模塊并聯(lián)特性。考慮諧振參數(shù)偏差和內(nèi)阻偏差，多模塊正向并聯(lián)的外特性曲線如圖3所示。

根據(jù)分析最后得到功率正向傳輸?shù)趇個(gè)模塊電流不均衡度△Ioi的表達(dá)式

式中，電流不均衡度ΔIoi由兩項(xiàng)相加組成；第一項(xiàng)與各模塊的空載輸出電壓偏差有關(guān)，該偏差由諧振參數(shù)偏差產(chǎn)生；第二項(xiàng)由內(nèi)阻偏差產(chǎn)生，是僅與各模塊內(nèi)阻有關(guān)的定值。內(nèi)阻是恒定值無法調(diào)節(jié)，因此盡可能減小諧振參數(shù)的偏差產(chǎn)生的不均衡度。

同樣地，可以得到出i、j兩模塊之間的空載輸出電壓偏差Vomaxi−Vomaxj的表達(dá)式為

由上式可得，在諧振參數(shù)偏差一定時(shí)，增大λ可減小模塊間的空載輸出電壓偏差，使各模塊外特性曲線的縱截距更接近，從而降低并聯(lián)電流不均衡度對諧振參數(shù)偏差的敏感度，改善正向并聯(lián)系統(tǒng)的均流性能。由此，可根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)的均流指標(biāo)要求，定量求解λ的取值范圍，優(yōu)化設(shè)計(jì)諧振參數(shù)。對于N模塊并聯(lián)系統(tǒng)，電流不均衡度最大的情況出現(xiàn)在僅有一個(gè)模塊的諧振參數(shù)和內(nèi)阻均為最小值，其余N−1個(gè)模塊的諧振參數(shù)和內(nèi)阻均為最大值時(shí)，多模塊正向并聯(lián)最不均衡情況的外特性曲線如圖4所示。

在Lm的值由雙向ZVS條件確定的前提下，通過減小Lr的值來獲得較大的λ值。因此，可將變壓器漏感作為Lr，在獲得較大λ值的同時(shí)可很方便地實(shí)現(xiàn)諧振電感和變壓器的磁集成。所提出的方法在負(fù)載突變的動態(tài)過程中，各模塊在每一時(shí)刻都能均衡地分配負(fù)載，均流不受動態(tài)過程影響。

當(dāng)反向工作時(shí)，其分析過程與正向相似。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了證明諧振網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的有效性，作者研制了三模塊并聯(lián)系統(tǒng)。諧振電感采用磁集成，為變壓器漏感，經(jīng)諧振參數(shù)優(yōu)化，模塊一的電感比λ由136.8增大至290.5。設(shè)置諧振參數(shù)偏差，諧振參數(shù)優(yōu)化前后，令模塊二的3個(gè)諧振參數(shù)均比模塊一偏大約5%，令模塊三的3個(gè)諧振參數(shù)均比塊一偏小約5%。滿載條件下，功率正向傳輸時(shí)，優(yōu)化前后測試結(jié)果如圖5所示。系統(tǒng)從輕載到滿載范圍內(nèi)，負(fù)載電流和對應(yīng)的最大電流不均衡度的變化曲線（輸入電壓Vin=370V，輸出電壓Vo=61.7V），如圖6所示。

該文提出的基于諧振網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的多模塊LLC-DCX并機(jī)均流問題優(yōu)化方法，研究了均流特性與諧振參數(shù)的關(guān)系，根據(jù)分析得到加大電感比優(yōu)化諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗分配，從而提高模塊均流效果，該方法不需要增加額外的控制，只有優(yōu)化諧振參數(shù)，即可到達(dá)優(yōu)化效果，該文中提出的方法便于在工程實(shí)踐中落地，設(shè)計(jì)中需要保證實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件下，電感比盡量取大值。對多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。