摘要:
针对两相交错并联LLC谐振变换器电路拓扑结构的两相电流不均衡问题,设计开发了均流控制系统。基于基波分析法推导的变换器电压增益公式,采用移相控制方法形成均流控制策略,分析利用移相角和电压增益的关系进行两相电流的调节,保证并联两相LLC谐振变换器的电流均衡。通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型,并基于碳化硅MOSFET功率器件开发实验平台,仿真与实验结果详细分析了均流控制策略的实施效果。仿真实验平台的设计开发与应用有助于提升学生针对高性能电力电子变换器的研究分析、实践创新能力。
引言
为满足大功率、低纹波的应用需求,多相LLC谐振变换器并联的拓扑结构相继出现。但由于元件的制造工艺和应用环境的影响,导致并联各相参数不可能完全相同,若不采取一定措施,会导致某一相谐振变换器承受的电流应力过大而损坏器件。因此,应用并联LLC谐振变换器时,均流控制策略非常必要。
常用均流控制策略主要分为无源均流与有源均流两种。无源均流通常发挥电容、电感以及变压器二次侧绕组的作用,实现自动均流,工作原理简单,但均流效果难以保证。有源均流通常通过调整谐振网络来实现并联各相的电流平衡,可通过调节谐振电容的大小或采用基于移相调制的均流策略,来补偿电流差异,能够取得一定的均流效果。
本文通过在两相交错并联LLC谐振变换器中的电流较大相中引入移相角,通过移相控制来减小输入谐振腔的电压量,进而减小该相电流,实现电流均衡,控制方法简单有效。基于MATLAB仿真软件设计仿真模型,基于碳化硅功率器件开发实验平台,进行移相均控制算法的验证。学生通过变换器结构原理的分析、参数设计、仿真实验分析等一系列的过程,有效解决学生理论联系实践能力差、动手能力弱的问题,充分锻炼学生的电力电子变换器分析设计和实践能力。
1、两相交错并联LLC谐振变换器结构
本文所采用的两相交错并联LLC谐振变换器电路拓扑结构如图1所示。
2、基于电压增益的均流控制
运用基波分析法进行建模分析,可以得到LLC谐振变换器的归一化电压增益。
两相交错并联LLC谐振变换器的开关网络采用全桥结构,引入移相角θ后,能改变输入谐振网络的电压波形,如图2所示。可以看出,相对于引入移相角之前,输入谐振网络的方波电压的积分面积减少,所以移相角θ的引入将会影响电压增益。
有效值为:
引入移相角θ的输入谐振腔电压Uab傅里叶展开式为:
保证频率和其他参数均不变的情况下,移相角θ的引入能够使得LLC谐振变换器的电压增益减小,且移相角θ与电压增益M呈反比关系,即在一定范围内移相角θ越大,电压增益M就越小。因此,在两相交错并联LLC谐振变换器中,因存在元器件差异导致其中一相电流过大时,可在该相引入移相角θ,减小该相电压增益,从而减小该相电流,电流差异越大,采用的移相角θ就相对越大。
移相控制系统流程为:首先对系统上电运行,设立能够保证变换器安全稳定运行的误差标准ε,系统运行过程中对两相谐振电流进行采样,同时分别计算有效值,并不断进行比较。若两相电流差异大于设定的误差标准ε,则在电流较大相引入移相角θ,调整触发脉冲相位从而调节两相电流的大小,再次进入循环检测分析判断;一直到两相电流差异小于误差标准ε,则保持触发脉冲相位不变,谐振变换器继续稳定运行。
3、参数设计与建模仿真分析
图3给出了LLC谐振变换器的参数设计流程,根据实际应用确定变换器性能指标,以安全稳定运行为前提,保证原边开关管ZVS,副边二极管ZCS,满足体积小、效率高、稳态和动态特性好等优点;根据所需电压增益计算出变压器变比n,并计算每一相中的交流等效阻抗;根据增益曲线检验是否满足软开关条件,选择合适的k值与Q值;计算谐振网络中的各个参数Lm、Lr、Cr。
学生在电力电子技术的学习过程中,通过两相LLC谐振变换器均流控制系统设计这样一个实例,将电力电子变换器拓扑结构、原理分析、控制策略、参数设计等相关知识融会贯通,边学习、边思考,探索不同的控制策略,并进一步利用仿真、实验平台进行验证,不断地调试改进,实现综合实践能力的提升。
本文采用MATLAB/Simulink搭建仿真平台验证所提移相均流控制策略,仿真参数如表1所示。
4、实验平台设计与分析
图6给出了系统整体运行控制框图。输出电压、输出电流和两相谐振电流经过采样后,送入DSP控制器中,再通过控制器内部的模数转换模块输出PWM控制信号,最后通过驱动电路为MOSFET开关管提供触发脉冲。
学生在仿真实验平台中先进行基本拓扑与控制策略的实操验证,再将自己的设计参数和控制策略用于该平台,通过调试、改进、再调试的研究过程,掌握基本设计方法和平台使用方法的基础上,不断实践、创新来实现综合能力的突破。
5、结语
本文针对两相交错并联LLC谐振变换器拓扑结构,提出了移相均流控制策略,并设计了变换器参数,开发了仿真与实验平台,验证所提均流策略实用有效,达到了预期效果。同时,通过将该系统的原理分析、设计实施过程用于教学之后,学生能够通过学习、训练、实践等过程,掌握电力电子变换器的设计方法和测试分析方法,提升了自身的实践素质和创新能力,近三年30%的学生在后续的相关学科竞赛中获得国家级、省部级奖励。
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