盧紹成　鄧春明　李步錦　韋唯　危秋珍

摘 要： 當(dāng)LLC全橋變換器的變壓器副邊繞組匝數(shù)較多時(shí)，分布電感和分布電容較大，在變換器的幅頻特性中出現(xiàn)附加的諧振峰，使調(diào)頻控制的控制范圍減小，甚至完全失效。提出LLC全橋調(diào)頻控制和移相控制相結(jié)合的變結(jié)構(gòu)控制方法，兼顧擴(kuò)大控制范圍和減小開關(guān)應(yīng)力兩方面的性能。根據(jù)大功率配網(wǎng)故障定位儀的要求，研制了LLC全橋變結(jié)構(gòu)控制的高壓直流變換器樣機(jī)。用F28335 DSP實(shí)現(xiàn)整機(jī)控制，完成調(diào)頻和移相控制的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)故障狀態(tài)，分別實(shí)現(xiàn)恒流、恒功率和恒壓反饋控制。設(shè)計(jì)的高壓直流變換器，最大輸出電壓為20 kV，最大輸出電流為0.5 A，最大輸出功率4 kW。樣機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果，驗(yàn)證了分析方法和設(shè)計(jì)方案的正確性。

關(guān)鍵詞： LLC全橋變換器； 高壓直流變換器； 變結(jié)構(gòu)控制； 故障定位

中圖分類號(hào)： TN773?34； TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0145?04

HVDC converter with LLC full bridge variable structure control

LIU Longhua1， HUANG Hongquan2， HUANG Qizhe1， LI Minqiang1， LU Shaocheng1，

DENG Chunming1， LI Bujin1， WEI Wei1， WEI Qiuzhen1

（1. Hechi Power Supply Bureau， Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Hechi 547000， China；

2. College of Electrical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： The large distributed inductance and distributed capacitance caused by the more number of transformer secondary windings makes the unexpected resonant peak appear in amplitude?frequency characteristic of the converter， which can reduce the control range of the frequency modulation control （FMC）， or result in complete failure. A new variable structure control method in combination with LLC full bridge FMC and phase?shifting control （PSC） is proposed， which can expand the control range and reduce the switching stress. According to the requirements of the high?power distribution network fault locator， the prototype of HVDC converter with LLC full bridge variable structure control was developed. The complete machine control is realized by DSP F28335 to accomplish the conversion between FMC and PSC. The constant current， constant power and constant voltage feedback control are implemented according to the fault state. The maximum output voltage of the HVDC converter is 20 kV， maximum output current is 0.5 A， and maximum output power is 4 kW. The prototype achieved perfect effect in practical application. The correctness of the analysis method and design scheme was verified.

Keywords： LLC full bridge converter； HVDC converter； variable structure control； fault location

0 引 言

LLC橋式變換器具有變壓器利用率高、功率開關(guān)管應(yīng)力小、電流波形好等特點(diǎn)，在大功率開關(guān)變換器中應(yīng)用廣泛。移相控制的LLC變換器控制方式簡(jiǎn)單，輸出調(diào)節(jié)范圍寬，可實(shí)現(xiàn)部分功率開關(guān)管的軟開關(guān)[1?6]?；谥C振特性的調(diào)頻控制LLC變換器能實(shí)現(xiàn)全部功率開關(guān)管的軟開關(guān)[7?9]，但其最高工作頻率受功率器件的限制，輸出調(diào)節(jié)范圍不大。在研制配網(wǎng)故障定位用的高壓直流變換器時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)變換器的輸出電壓很高且負(fù)載電阻較大時(shí)，變壓器輸出繞組的分布電感和分布電容不能被忽略，LLC橋式變換器中出現(xiàn)附加的高頻諧振峰，使調(diào)頻控制方式完全失去輸出控制能力，必須采用其他控制方式。調(diào)頻控制和移相控制具有性能互補(bǔ)的特點(diǎn)，根據(jù)不同的負(fù)載條件，進(jìn)行兩種控制方式的切換，即采用變結(jié)構(gòu)控制，可以兼顧擴(kuò)大控制范圍和減小開關(guān)管開關(guān)應(yīng)力兩方面的要求。

我國的配電網(wǎng)采用小電流接地方式以提高供電可靠性。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流小，難于在線計(jì)算故障位置。文獻(xiàn)[10]提出了一種離線S注入法，在電網(wǎng)停電維修時(shí)，確定故障位置。離線S注入法對(duì)其中的高壓直流變換器的性能要求很高。采用LLC全橋調(diào)頻和移相控制相結(jié)合的變結(jié)構(gòu)控制模式，研制了一套故障定位儀用的高壓直流變換器樣機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)使用表明樣機(jī)具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 LLC全橋高壓直流變換器主電路拓?fù)浼靶?/p>

能分析

LLC全橋高壓變換器的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。IGBT管VT1，VT2，VT3和VT4組成全橋開關(guān)電路，CR和LR組成串聯(lián)諧振電路。由于輸出電壓很高，變壓器T副邊匝數(shù)多，故采用全橋整流輸出電路。

另一個(gè)是由CR，LR和LM決定的低頻串聯(lián)諧振頻率，其對(duì)變換器的控制性能影響不大。為了保證變換器工作在感性負(fù)載區(qū)，變換器工作頻率應(yīng)大于[fR]。在LLC高壓變換器中，當(dāng)負(fù)載電阻較大時(shí)，Lo和Co組成Q值較大的二階低通濾波環(huán)節(jié)，在高頻區(qū)形成一個(gè)附加的諧振峰，如圖3所示。對(duì)研制的高壓變壓器進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)附加的諧振頻率在70 kHz左右，與IGBT的最高工作頻率接近，對(duì)控制性能影響較大。

當(dāng)負(fù)載電阻較小時(shí)，幅頻特性曲線中僅有一個(gè)諧振峰，諧振頻率由LR和CR決定，本文設(shè)計(jì)[fR]=18 kHz。在軟開關(guān)情況下，取IGBT的工作上限頻率為25 kHz。在18～25 kHz之間，幅值隨頻率變化很大，采用調(diào)頻控制方式可有效控制輸出量，并實(shí)現(xiàn)全部IGBT管的零電壓軟開關(guān)。當(dāng)負(fù)載電阻較大時(shí)，低頻串聯(lián)諧振峰和變壓器副邊繞組諧振峰的影響增大，幅頻特性曲線上出現(xiàn)另外兩個(gè)諧振峰。改變頻率對(duì)輸出幅值的控制作用減弱，甚至出現(xiàn)相反的控制作用。

在這種情況下，顯然不能用調(diào)頻控制方式，可采用移相控制方式。調(diào)頻控制和移相控制的選擇主要取決于負(fù)載電阻。

對(duì)本文設(shè)計(jì)的高壓直流變換器而言，可采用如下的變結(jié)構(gòu)控制策略：

（1） 如果當(dāng)前采用的是調(diào)頻控制，在負(fù)載電阻大于35 kΩ，或者工作頻率已經(jīng)調(diào)整到最高頻率而輸出量仍高于給定量時(shí)，控制方式由調(diào)頻轉(zhuǎn)為移相；

（2） 如果當(dāng)前采用的是移相控制，在負(fù)載電阻小于25 kΩ，或者移相角已經(jīng)調(diào)整到最大值而輸出量仍低于給定量時(shí)，控制方式由移相轉(zhuǎn)為調(diào)頻。

負(fù)載電阻較大時(shí)，輸出電流較小，采用移相控制，雖不能實(shí)現(xiàn)全部功率管軟開關(guān)，開關(guān)應(yīng)力也不大。負(fù)載電阻較小時(shí)，輸出電流較大，采用調(diào)頻控制，全部功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通，開關(guān)應(yīng)力明顯降低。

2 用于大功率配網(wǎng)故障定位儀的高壓直流變換

器的設(shè)計(jì)

基于S注入的離線式配網(wǎng)故障定位儀對(duì)所用的高壓直流變換器的性能要求很高。以35 kV配網(wǎng)故障定位儀為例，高壓直流變換器的輸出電壓不小于20 kV，最大輸出電流不小于500 mA，負(fù)載電阻范圍從零到無窮大。

由于是在停電狀態(tài)下戶外使用，供電電源為蓄電池或自備發(fā)電機(jī)，要求采用恒功率控制，在保證供電電源安全的條件下，輸出盡可能大的功率，以提高故障定位的精度和成功率。在輸出的直流上，還需疊加可供測(cè)量的低頻交流信號(hào)，以便信號(hào)探測(cè)器能遠(yuǎn)距離探測(cè)追蹤故障電流信號(hào)，確定故障位置。

根據(jù)配網(wǎng)故障定位儀的實(shí)際使用情況，LLC全橋高壓直流變換器可工作在恒流控制區(qū)、恒功率控制區(qū)和恒壓控制區(qū)3個(gè)工作區(qū)域，如圖4所示。

圖4中AB段為恒流控制區(qū)，在負(fù)載電阻很小時(shí)，輸出電流不超過Imax。BC段為恒功率控制區(qū)，在負(fù)載電阻較大時(shí)，輸出功率不超過設(shè)定的最大功率；CD段為恒壓控制區(qū)，在負(fù)載電阻很大時(shí)，輸出電壓不超過設(shè)定的最大電壓Vmax。由于需要疊加可供測(cè)量的低頻交流成份，3個(gè)工作區(qū)域都應(yīng)該是穩(wěn)定可調(diào)的，而不能采用簡(jiǎn)單的飽和控制方式。

在故障定位過程中，故障點(diǎn)未擊穿時(shí)，故障線路上只有較小的泄漏電流，等效負(fù)載電阻很大，高壓LLC變換器工作在恒壓控制區(qū)，采用移相控制，工作電流很小，功率管的開關(guān)應(yīng)力不大。故障點(diǎn)擊穿后，故障線路等效負(fù)載電阻下降，電流增大，高壓LLC變換器工作在恒流控制區(qū)或恒功率控制區(qū)，采用調(diào)頻控制，全部功率開關(guān)管零電壓開通，降低開關(guān)損耗。用于配網(wǎng)故障定位的LLC全橋高壓變換器的控制比較復(fù)雜，用硬件電路實(shí)現(xiàn)比較困難，采用基于軟件的控制方式卻相對(duì)簡(jiǎn)單。

TMS320F28335是一款具有強(qiáng)大控制功能的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），運(yùn)算能力強(qiáng)、速度快、片內(nèi)帶有多通道12位ADC模塊和增強(qiáng)型脈寬調(diào)制（ePWM）模塊，可以通過編程的方式實(shí)現(xiàn)全橋變換器的閉環(huán)PWM控制、調(diào)頻控制和移相控制。

基于DSP的全數(shù)字LLC全橋高壓直流變換器控制原理框圖如圖5所示。

DSP的輸出管腳PWM1A，PWM1B，PWM2A和PWM2B經(jīng)隔離放大后驅(qū)動(dòng)4個(gè)IGBT管（見圖1）。高壓變換器的輸出電流和電壓分別由電流和電壓傳感器送至DSP芯片內(nèi)部的ADC，轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)，電流和電壓相乘可得到功率反饋信號(hào)。

給定信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生給定電流、給定電壓和給定功率。給定信號(hào)為直流分量疊加特定頻率的交流分量。隨著線路故障狀態(tài)的變化，LLC全橋高壓直流變換器的工作狀態(tài)在各個(gè)工作區(qū)內(nèi)快速切換。

在控制系統(tǒng)中設(shè)有電流、電壓和功率3個(gè)PI控制器，由工作區(qū)域選擇模塊按故障狀態(tài)選擇合適的控制器。

由于變換器的電壓、電流和功率增益差別較大，3個(gè)PI控制器的參數(shù)應(yīng)分別設(shè)定。調(diào)制方式選擇模塊根據(jù)變換器工作情況選擇調(diào)頻控制和移相控制方式，軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)頻控制和移相控制的轉(zhuǎn)換是很容易的。當(dāng)移相控制的相角固定在180°，改變脈沖周期，就成為調(diào)頻控制。當(dāng)調(diào)頻控制的脈沖頻率固定不變，改變兩個(gè)橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖的相位差，就成為移相控制。

DSP的ePWM模塊中的時(shí)基周期寄存器TBPRD決定脈沖控制周期，改變TBPRD的值即可改變脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻控制。ePWM模塊中的移相寄存器TBPHS決定脈沖控制的起始時(shí)刻，改變TBPHS的值即可改變脈沖相位，實(shí)現(xiàn)移相控制。

在圖1所示的電路中，用ePWM模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)頻控制，需要保持TBPHS=0不變，在每個(gè)控制周期中動(dòng)態(tài)計(jì)算下一個(gè)周期值，并改變ePWM模塊1和模塊2的4個(gè)寄存器，即TBPRD1=TBPRD2=周期值，CMPA1=CMPA2=[12]周期值。用ePWM模塊實(shí)現(xiàn)移相控制，只需保持TBPRD，TBPHS1和CMPA不變，在每個(gè)控制周期中動(dòng)態(tài)計(jì)算下一個(gè)相位值，并改變模塊2的TBPHS2。當(dāng)TBPHS2的值為零時(shí)，相位差為零，兩個(gè)橋臂導(dǎo)通的時(shí)間一致，變壓器輸入的電壓為零。

當(dāng)TBPHS2的值為[12]TBPRD時(shí)，兩個(gè)橋臂導(dǎo)通的相位差為180°，變壓器輸入的電壓最大。將研制的LLC全橋高壓直流變換器投入使用，用電流傳感器測(cè)量變壓器輸入電流波形，用電壓傳感器測(cè)量IGBT管電壓波形，結(jié)果見圖6。

在調(diào)頻諧振狀態(tài)下，變壓器的電流波形接近正弦波。在IGBT管由關(guān)斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的時(shí)刻，流過IGBT的電流為負(fù)，反并聯(lián)的續(xù)流二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電壓為零，實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通。IGBT管關(guān)斷時(shí)刻，電流已經(jīng)由最大值下降到較低水平，關(guān)斷應(yīng)力也較小。

3 結(jié) 語

LLC全橋變換器采用諧振調(diào)頻控制方式，可實(shí)現(xiàn)全部開關(guān)管的軟開關(guān)，但其控制范圍有限，特別是當(dāng)變壓器的副邊繞組漏感、分布電容和負(fù)載電阻較大時(shí)，調(diào)頻控制方式可能完全失效。在這種情況下，用移相控制方式取代調(diào)頻控制方式，可以克服調(diào)頻控制方式的缺點(diǎn)。在用于配網(wǎng)故障定位儀的LLC全橋高壓直流變換器中，采用調(diào)頻控制和移相控制相結(jié)合的變結(jié)構(gòu)控制方式，既能滿足負(fù)載大范圍變化時(shí)對(duì)控制性能的要求，又能顯著減小IGBT的開關(guān)應(yīng)力，提高效率和可靠性。

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