设计应用

基于双环控制的LLC变换器性能优化

0 引言

    随着开关电源趋于高频化,高性能的变换器拓扑结构应运而生,LLC谐振变换器作为软开关电源拓扑的一种,不仅能够在宽输入电压下实现软开关,且具有很高的转换效率,不同工作频率下产生可变电压增益,是目前最具前景的变换器拓扑之一,广泛应用于开关电源、通信电源等高频电源领域[1]

    目前较为主流的软开关电源拓扑有移相全桥PWM变换器和LLC谐振变换器。文献[2]提出一种三电平ZVS PWM变换器,适用于宽输入电压场合,但随着输入电压的增高,环路电流随之增大,导致整个电路效率下降。三电平LLC串联谐振变换器在软开关状态下电压调节范围较窄,为了实现宽范围电压增益,文献[3]提出了相移控制和频率调制混合控制策略,但在轻载时效率较低,且随着开关频率的增大,次级漏感对输入输出电压增益影响不可忽略。文献[4]在半桥LLC串联谐振变换器基础上结合次级漏感进行改进,以改善高开关频率下的模型精度。

    本文采用非对称脉冲宽度调制,控制系统采用功率控制回路和频率跟踪回路,非对称脉冲宽度调制(APWM)作为功率调节,锁相环(PLL)作为频率跟踪控制。同时结合次级漏感进行改进,以改善高开关频率下的模型精度。

1 LLC串联谐振变换器工作模态

    图1为三电平半桥LLC串联谐振变换器的等效电路模型,初级侧为两个半桥LLC串联连接,共用一个谐振电感Lr,使得每个开关管两端的电压箝位在输入电压的一半;次级侧为一个倍压整流器,Ls,lk为变压器次级侧漏感。每组半桥LLC串联电路中上面的开关管Q1、Q3由恒定占空比同时驱动,下面的开关管Q2、Q4开通与上面开关管形成互补。

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    三电平半桥LLC串联谐振变换器在两级控制回路下工作波形如图2所示,通过对占空比的控制实现高效输出。

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    每个开关周期分成6个阶段,图3所示为变换器正半周运行电路。

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    阶段1[t0~t1]:t0时刻,Q1、Q3零电压开通,Lr与Cr1、Cr2同时发生谐振,流过谐振电感Lr的电流iLr逐渐增大,变压器初级侧电压箝位在nU0,通过励磁电感的电流iLm正向线性增长,这个阶段的电流如下表示:

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    阶段2[t1~t2]:t1时刻,iLr(t)=iLm(t),此时,D1零电流关断,励磁电感参与谐振,变压器一次侧没有能量传递到二次侧,负载的电能由输出电容提供。期间电流可以表示如下:

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    阶段3[t2~t3]:t2时刻,Q1、Q3关断,Q1、Q3两端电压从0开始线性增长,Q2、Q4两端电压从Vin/2减小至 iLm(t2),当Q1、Q3两端电压为Vin/2时,次级侧D2导通,Lr与Cr1、Cr2再次发生谐振,t3时刻Q2、Q4零电压开通。这个阶段的电流表示如下:

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    阶段4~6的工作原理以及工作电路分别与阶段1~3类似,由于篇幅所限,不再赘述。

2 LLC变换器两级控制策略

    通常情况下,效率取决于变换器的电压转换比。在谐振频率下,LLC变换器的电压转换比只与变压器的匝数比有关。然而,由于频率恒定,在传导损耗变得可以忽略不计的轻载条件下,铁损在总损耗中占主导地位。因此,为了提高轻载效率,降低变压器磁芯损耗至关重要。

    本文采用两级控制架构,变频非对称脉宽调制作为功率环,通过对占空比的调节改变输出功率,提高轻载效率;锁相环回路作为频率环,追踪谐振频率。控制结构框架图如图4所示。

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3 功率环设计

    在软换向满载条件下,次级侧整流二极管的高反向电压是由次级漏感中的大电压变化引起的。本文结合次级漏感对LLC谐振变换器模型进行改进,采用改进型FHA模型对阶段1输入输出电压增益和谐振回路阻抗进行分析,原理图如图5所示。

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    电压增益表达式如下:

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其中Ls,lk为次级侧漏感,fr1,mod、fr2,mod分别为次级侧漏感参与谐振和不参与谐振时的谐振频率。

4 仿真分析

    为了验证反馈控制器的有效性,本文在Saber环境下搭建了基于双环控制的串联LLC谐振变换器仿真模型,同时加入反馈控制电路。

    图6为两个反馈补偿器闭环增益,高交叉频率下没有相位裕度,具有稳定性问题;低交叉频率稳定性相对较好,动态性能较差。

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    直线为考虑反馈补偿器时间延迟的闭环幅频相频特性曲线,虚线为不考虑时间延迟的幅频相频曲线。从图6可以看出,忽略补偿器时间延迟的情况下,没有相位裕度,系统缺乏稳定性。

5 实验验证

    根据上述理论推导及分析结果搭建了一台5 kW的实验样机,具体参数如下:输入电压Uin=400~600 V,输出电压Uo=500 V,输出电流Io=10 A,开关频率fs=100 kHz,谐振频率fr=121.3 kHz,谐振电容Cr1=Cr2=96.4 nF,谐振电感Lr=21.7 μH,励磁电感Lm=120.6 μH,数字控制器采用恩智浦的STM32f407。

    图7分别为采用两级控制和传统控制的谐振电流波形图,负载为20%。

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    从图7中可以看出,与传统的控制方式相比,采用两级控制策略能在轻载状况下降低变压器的最大磁通量和工作频率,从而可以提高轻载效率,优化了系统的动态性能。

    图8为轻载时效率与输出电压之间的关系,传统的功率变换器设计在输出整流器中显示出大的初级循环电流和高开关损耗,加入双环控制使得系统在轻载条件下效率提升3%。

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6 结论

    本文采用两级控制环路对串联LLC谐振变换器进行控制,功率环通过改变占空比调制输出功率,频率环追踪谐振频率,不仅可以在宽负载范围内实现开关管ZVS和整流二极管ZCS,同时提高了轻载效率。另外,对于反馈补偿器的设计,分析了数字控制器的延时效应,获得适当的交叉频率和足够的相对稳定性。5 kW的实验样机验证了该控制策略可以在轻载情况下提升3%的效率。

参考文献

[1] KIM J W,HAN J K,LAI J S.APWM adapted half-bridge LLC converter with voltage doubler rectifier for improving light load efficiency[J].Electronics Letters,2017,53(5):339-341.

[2] LIN B R,YEH H P.Analysis and implementation of a zero-voltage switching asymmetric pulse-width modulation converter for high load current application[J].IET Power Electronics,2014,7(6):1435-1443.

[3] WANG X,WANG G,WANG Y,et al.Three-level half-bridge LLC converter with phase shift and frequency modulation control[C].IEEE Industrial Electronics Society,IECON 2016,2016:1429-1434.

[4] PARK H P,JUNG J H.Power stage and feedback loop design for LLC resonant converter in high switching frequency operation[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,32(10):7770-7782.

[5] 金科,阮新波.复合式全桥三电平LLC谐振变换器[J].中国电机工程学报,2006,26(3):53-58.

[6] 陈威,吕征宇.一种新颖的三电平全桥谐振型软开关DC/DC变流器[J].电工技术学报,2008,23(3):52-59.

[7] 闫子波.基于LLC的半桥零电压开关谐振变换器[J].电子技术应用,2005,31(9):68-71.



作者信息:

董飞驹,邵如平,王  达

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院,江苏 南京211816)

LLC变换器 非对称脉冲宽度调制 变频控制 倍压整流 轻载效率