曹明嚴(yán)，易映萍，張海龍，安 昱

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，陜西 西安 710075)

分布式能源發(fā)電是解決能源危機(jī)及清潔能源利用的重要途徑，受到世界各國(guó)的高度關(guān)注。光伏發(fā)電、燃料電池等分布式電源發(fā)出的電能大部分需要通過(guò)直流變換的中間環(huán)節(jié)接入電網(wǎng)，同時(shí)由于各種新興直流負(fù)荷的涌現(xiàn)和增加，使現(xiàn)有的交流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、新能源接入整合以及能量利用率方面出現(xiàn)不足。直流微電網(wǎng)對(duì)直流微源和直流負(fù)荷具有很大的包容性，電能接入變換環(huán)節(jié)少，在現(xiàn)有的交流微網(wǎng)中納入直流微網(wǎng)組成交直流混合微電網(wǎng)，可以最大限度整合消納各種類(lèi)型的分布式電源和交直流負(fù)荷，同時(shí)精簡(jiǎn)電能變換環(huán)節(jié)、節(jié)約投資成本、減少電能損耗，所以加強(qiáng)對(duì)交直流混合微網(wǎng)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)交直流混合微網(wǎng)的關(guān)注日益密切，不同等級(jí)的交直流混合微網(wǎng)示范工程相繼建成運(yùn)行，在交直流混合微網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏陣列以及直流負(fù)荷需要通過(guò)DC-DC變換器接入直流母線，缺乏適用于電網(wǎng)的大容量高效率DC-DC變換器限制了混合微網(wǎng)的發(fā)展，為解決這一問(wèn)題很多研究者相繼提出了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)移相全橋變換器的變換效率較低；文獻(xiàn)[2]所設(shè)計(jì)的DC-DC變換器無(wú)法適用于大功率場(chǎng)合；文獻(xiàn)[3～5]對(duì)適用于直流電網(wǎng)的高壓大容量DC-DC變換器的需求作了詳細(xì)分析，指出適用于直流電網(wǎng)的DC-DC變換器需要滿足以下要求：一能夠?qū)崿F(xiàn)功率的快速調(diào)節(jié)和雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)；二具有故障隔離能力和一定的電流耐受力；三滿足輸出電流諧波含量??；并對(duì)目前適用于直流電網(wǎng)的DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做出總結(jié)；文獻(xiàn)[6]提出一種基于晶閘管的諧振式DC-DC變換器，但是該拓?fù)浯嬖谝韵氯秉c(diǎn)：一在斷續(xù)工作模式下輸入輸出電流波形差，需要較大的濾波裝置；二高壓側(cè)與低壓側(cè)需要同樣的絕緣等級(jí)；文獻(xiàn)[7～12]對(duì)LLC諧振變換器的拓?fù)?、控制方式、工作原理等進(jìn)行了深入研究；文獻(xiàn)[13～14]針對(duì)小容量LLC諧振變換器的控制策略及效率優(yōu)化進(jìn)行分析，但不適用于電網(wǎng)。文中提出一種適用于電網(wǎng)的大容量雙向全橋LLC諧振變換器，對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、增益特性進(jìn)行詳細(xì)分析，最后利用PSIM搭建仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1 雙向全橋LLC諧振變換器

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙向全橋LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，高頻變壓器的兩側(cè)均采用全橋結(jié)構(gòu)，原邊為高壓端，副邊為低壓端，所有開(kāi)關(guān)管均采用IGBT。開(kāi)關(guān)管Q1～Q4為原邊的逆變開(kāi)關(guān)，Q5～Q8為副邊整流開(kāi)關(guān)，諧振電容Cr1、諧振電感Lr1、勵(lì)磁電感Lm組成原邊諧振網(wǎng)絡(luò)，且Lm的值遠(yuǎn)大于諧振電感Lr1的值；Cr2和Lr2構(gòu)成副邊諧振網(wǎng)絡(luò)，Co為輸出濾波電容，Rf為負(fù)載電阻，V1、V2分別為輸入電壓、輸出電壓。

LLC諧振變換器滿足直流微網(wǎng)中DCDC變換器的基本需求，變壓器原副邊均采用全控型器件，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。高頻變壓器將高低壓端隔離，具有故障隔離能力。并且通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)和控制方式，在不添加任何輔助元器件的情況下，可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)整流開(kāi)關(guān)的ZCS關(guān)斷和逆變開(kāi)關(guān)的ZVS開(kāi)通。該拓?fù)錇閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，變換器正向和反向工作原理基本相同，以下以正向工作模式為例進(jìn)行分析，正向工作時(shí)變壓器原邊為輸入端，副邊為輸出端。

圖1 雙向全橋LLC諧振變換器

1.2 單端調(diào)頻控制的工作原理

電路正向工作時(shí)存在兩個(gè)諧振頻率，分別為串聯(lián)諧振頻率fr和串并聯(lián)諧振頻率fm，計(jì)算公式為

(1)

(2)

在單端調(diào)頻恒壓控制策略下整流側(cè)利用開(kāi)關(guān)管的反并聯(lián)二極管整流，通過(guò)改變?cè)吥孀冮_(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率fs與諧振頻率fr的關(guān)系，變換器可分為3種工作模式：fmfr。工作在fm

圖2 fm

圖中Vg為開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，n為變壓器變比,iQ6、7和iQ5、8分別為流過(guò)開(kāi)關(guān)管Q6、Q7和Q5、Q8反并聯(lián)二極管的電流；VAB為逆變橋兩橋臂中點(diǎn)電壓；iLr1為流過(guò)諧振電感Lr1的電流，iLm為流過(guò)勵(lì)磁電感Lm的電流，i0為流過(guò)變壓器原邊的電流，他們之間的關(guān)系可表示為

iLr1=iLm+i0

(3)

該模式在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)共有6個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)：

模態(tài)1[t0～t1]t0時(shí)刻開(kāi)關(guān)管Q1和Q4零電壓開(kāi)通，VAB從零增加至輸入電壓V1，此時(shí)諧振電感Lr1和諧振電容Cr1開(kāi)始諧振，諧振電流iLr1由負(fù)向零靠近，雖然Q1和Q4已經(jīng)開(kāi)通但諧振電流為負(fù)，iLr1依然由Q1和Q4的反并聯(lián)二極管流通。由于|iLr1|<|iLm|所以副邊整流管Q5和Q8的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通給負(fù)載供電。變壓器副邊電壓為V2，此時(shí)勵(lì)磁電感Lm被輸出電壓鉗位在nV2，不參與諧振，勵(lì)磁電流iLm線性上升。tx1時(shí)刻諧振電流過(guò)零變正，以正弦形式變化，Q1和Q4開(kāi)始有電流流過(guò)，tx2時(shí)刻勵(lì)磁電感電流大于零，直到t1時(shí)刻模態(tài)1結(jié)束。整個(gè)模態(tài)中變壓器原邊電流始終為正。

模態(tài)2[t1～t2]t1時(shí)刻諧振電感電流iLr1等于勵(lì)磁電感電流iLm，流過(guò)變壓器原邊的電流i0為零，所以變壓器副邊電流也為零，整流管Q5和Q8的反并聯(lián)二極管零電流關(guān)斷，原副邊沒(méi)有能量交換。此時(shí)勵(lì)磁電感不再被輸出電壓鉗位，Lm、Lr1、Cr1一起諧振。由于Lm?Lr1這一階段的諧振周期遠(yuǎn)大于模態(tài)1的諧振周期，所以諧振腔電流近似不變(實(shí)際上是一段按正弦變化的弧線)，t2時(shí)刻Q1和Q4關(guān)斷，模態(tài)2結(jié)束。

模態(tài)3[t2～t3]t2時(shí)刻之后進(jìn)入死區(qū)階段，VAB逐漸減小到零，諧振電感電流iLr1依然等于勵(lì)磁電感電流iLm，并通過(guò)Q2和Q3的反并聯(lián)二極管續(xù)流為Q2和Q3零電壓開(kāi)通做準(zhǔn)備，電感儲(chǔ)存的能量回饋給電源；原副邊斷開(kāi)，副邊電流為零，負(fù)載由濾波電容供電。t3時(shí)刻Q2和Q3零電壓開(kāi)通，VAB=-V1，變換器進(jìn)入下半周期工作。由于下半周期與上半周期工作原理相似，這里不再贅述。

根據(jù)以上分析，雙向全橋LLC諧振變換器工作在fm

2 LLC諧振變換器特性

調(diào)頻控制時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓的諧波分量較少主要依靠基波傳輸能量，采用基波分析法建立變換器的等效模型。為使變換器正反向工作特性一致，原副邊諧振元件的參數(shù)關(guān)系如下

Lr=Lr1=n2Lr2

(4)

Cr=Cr1=n2Cr2

(5)

圖3 雙向全橋LLC諧振變化器的交流等效模型

雙向全橋LLC諧振變換器的輸入輸出電壓增益為：M=nV2/V1，結(jié)合圖3可以推得變換器電壓增益M[15]和阻抗Z的表達(dá)式

(6)

(7)

圖4 變換器增益曲線

圖4 (a)為λ=12時(shí)，不同Q值的增益曲線，由圖可知隨著Q值增加變換器的最大增益在減小，說(shuō)明負(fù)載越重變換器最大增益越小，當(dāng)Q大于某一值時(shí)增益曲線會(huì)出現(xiàn)3個(gè)單調(diào)區(qū)間，而且無(wú)論Q為何值增益曲線都經(jīng)過(guò)同一點(diǎn)(1,1)，說(shuō)明當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率等于諧振頻率時(shí)變換器增益為1且不受其他因素影響，此時(shí)變換器效率最高。圖4(b)為Q=0.5不同λ值時(shí)的增益曲線，隨著λ增加變換器的最大增益逐漸減小，當(dāng)λ大于某一值時(shí)曲線出現(xiàn)3個(gè)單調(diào)區(qū)間。因此要合理選擇Q和λ的值使增益隨頻率單調(diào)變化，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)能夠滿足變換器增益要求，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，需要對(duì)變換器的工作區(qū)間進(jìn)行劃分。

3 LLC諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，在單端調(diào)頻控制時(shí)選擇變換器的工作模式為fm

(1)變壓器變比n。

(8)

一般在額定輸入電壓下設(shè)計(jì)變壓器變比以保證此時(shí)變換器工作在諧振頻率附近；

(2)電感比λ。為滿足空載特性可使變換器的最小增益等于空載增益，可得

(9)

式中，fn_max為最大歸一化頻率。

(3)品質(zhì)因數(shù)Q。低壓滿載時(shí)的最大品質(zhì)因數(shù)為Qmax，可將此時(shí)的品質(zhì)因數(shù)設(shè)計(jì)為感性區(qū)的臨界Q值

(10)

由式(8)～式(10)的值可計(jì)算出諧振電感、諧振電容和勵(lì)磁電感的值

(11)

式中，ωr=2πfr，將式(8)和式(11)的值代入式(4)和式(5)中求得副邊諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。

4 仿真研究

為驗(yàn)證以上理論分析的正確性，利用PSIM搭建仿真，具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

額定輸入電壓為1 000 V，負(fù)載電阻為5 Ω，給定輸出電壓為560 V時(shí)測(cè)得開(kāi)關(guān)頻率為9.1 kHz，諧振電感電流iLr1、勵(lì)磁電感電流iLm以及流過(guò)整流二極管的電流波形如圖5所示。由圖可知在諧振電感電流等于勵(lì)磁電感電流的時(shí)間段內(nèi)流過(guò)整流二極管的電流為零，說(shuō)明整流二極管實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷。

圖5 原邊諧振電感電流、勵(lì)磁電感電流及整流二極管電流波形

圖6為逆變開(kāi)關(guān)管Q1的集射極電壓VQ1和柵極驅(qū)動(dòng)電壓VgQ1的波形，由圖可知當(dāng)逆變開(kāi)關(guān)的集射極電壓為零時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)恰好達(dá)到IGBT的啟動(dòng)電壓，此時(shí)開(kāi)關(guān)管相當(dāng)于ZVS開(kāi)通。

圖6 Q1的集射極電壓和驅(qū)動(dòng)電壓波形

圖7和圖8為L(zhǎng)LC諧振變換器的輸出電壓及輸出電流波形，輸出電壓最終穩(wěn)定在560 V，輸出電流穩(wěn)定在112 A，與理論計(jì)算值相等。

圖7 輸出電壓波形

圖8 輸出電流波形

輸入電壓為額定電壓1 000 V，負(fù)載分別為6 Ω、8 Ω、10 Ω時(shí)的輸出電壓波形如圖9所示。

圖9 不同負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形

負(fù)載為8 Ω，輸入電壓分別為990 V、1 000 V、1 010 V時(shí)的輸出電壓波形如圖10所示。

圖10 不同輸入電壓時(shí)的輸出電壓波形

圖9和圖10的輸出電壓波形表明當(dāng)負(fù)載和輸入電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，變換器的輸出電壓都可以穩(wěn)定在560 V。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提出一種適用于交直流混合微網(wǎng)的雙向全橋LLC諧振變換器，首先給出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了變換器在單端調(diào)頻控制下開(kāi)關(guān)頻率小于諧振頻率時(shí)的工作原理。然后分析變換器的輸入輸出電壓增益特性，并給出詳細(xì)的參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程。最后在PSIM下搭建仿真，仿真結(jié)果表明以文中給出的設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的LLC諧振變換器工作于fm