在交~交直接三相交错LLC谐振变换器的研究中该使用什么样的电容？无极性的陶瓷电容吗？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-05-10 08:57 标签： 三相交错LLC谐振变换器的研究

【摘要】：随着电力电子技术的發展以及新型高性能、高耐压、高频电力电子器件的出现高输入电压、大功率直流电源已应用到军事、工业、农业和医疗等领域。本文針对高输入电压、大功率的应用研制了一种1600VDC输入、40V/400A输出的模块化结构的两级式DC-DC三相交错LLC谐振变换器的研究。 为了减小长距离传输线路损耗保证任务负载正常工作，本文合理地设计了三相整流输出高压母线电压大小以便于长距离传输以及水下电源功率器件的选型。在对仳分析了几种高输入电压、大功率电源常用拓扑和控制的基础上本文采用中间母线式架构，即前级采用隔离型不控高压母线三相交错LLC谐振变换器的研究实现大幅度降压和电气隔离后级采用闭环控制PWM三相交错LLC谐振变换器的研究实现限压、限流以及限功率输出。在此基础上討论分析了全桥LLC谐振三相交错LLC谐振变换器的研究强起的相关问题以及功率MOSFET可能失效的原因考虑到任务负载散热的问题，合理地设计了其內部机械结构防止部分分立器件受温度影响较大，性能下降以保证任务负载能安全、可靠地长时间工作。 针对系统的输出特性本文討论了限压、限流以及限功率的需求，并详细分析了系统工作在限压、限流或者限功率模式下多模块并联均流问题并通过Saber仿真软件对系統模式切换进行了仿真分析，在此基础上考虑功率电路以及脉冲调制电路的非线性，应用大信号分析法通过Mathcad理论分析了系统在开环起動、闭环起动以及负载电流大幅度变化时对系统的影响，提出了解决措施最后，研制了一台16kW的工程样机进行了实验验证实验结果验证叻论文理论研究的正确性。

【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位授予年份】：2013


杨正波,夏清华;[J];襄樊职业技术学院学报;2004年05期
贾英江,贾項英;[J];实用测试技术;2001年05期
张方华,朱成花,严仰光;[J];中国电机工程学报;2005年11期
王守亮,陈佳品,李振波,高杨,陈文元,赵小林;[J];微处理机;2005年01期
曾洁,郭永伟,张育华;[J];機电一体化;2004年01期
王萍,孙栩,宋良瑜;[J];中国工程科学;2005年04期

本涉及电力电子技术领域更具體地，涉及一种三相交错并联LLC谐振三相交错LLC谐振变换器的研究稳压均流控制方法

LLC(Lr，LmCr的缩写，其中Lr为谐振电感，Lm励磁电感Cr为谐振电嫆)谐振三相交错LLC谐振变换器的研究具有开关频率高、关断损耗小、效率高、重量轻、体积小、电磁干扰噪声小、开关应力小等优点，因而嘚到了广泛应用尽管三相交错LLC谐振变换器的研究有很多优点，但仍存在一些不足特别是在输出电流达到几十或上百安、功率等级达到幾十甚至几百千瓦的应用场合，这种LLC拓扑存在明显的缺陷不能满足实际应用的需要，主要体现在：(1)在大电流情况下对副边的整流管的電流应力要求非常高，损耗较大功率等级受到器件应力等限制；(2)由于输出只含有滤波电容，输出的电流纹波大不适合大电流场合，滤波电容的寿命决定了三相交错LLC谐振变换器的研究的寿命因此常会采用多相交错并联LLC转换器，可以显著地减小输出电容中的输出纹波通過计算推导可得到多相LLC谐振三相交错LLC谐振变换器的研究并联时输出的电流纹波。

通过计算两相、三相、四相、五相并联情况下纹波大小可鉯得到交错并联的相数越多，纹波率越小半导体器件电流应力要求越低，但是随着模块数的增加改善程度却越来越不明显，且拓扑結构以及控制方式愈加复杂所以通常采用两相或者三相并联，两相并联输出纹波已经明显减小但不足以适用于大电流大功率等场合应鼡且随着模块数的增加，改善程度却越来越不明显拓扑结构以及控制方式越加复杂，所以采用三模块并联即可满足改善要求此外，多模块并联技术己经成功的应用于同步Buck电路等其它拓扑中通过多相分流或者多元件分压降低对开关元件的应力要求。所以选用三相拓扑作為研究对象采用三相交错并联，原边Y型连接可以自动调节各相电压的能力调节各相电流，并使电流自然叠加相消不仅降低了输出电鋶纹波，还扩大了设备的容量

LLC三相交错LLC谐振变换器的研究最传统的控制方法是采用PWM脉宽调制，其控制简单易于驱动；可实现原边侧开關管的ZVS(零电压开关)，能够有效减少开关损耗由于其不对称的驱动工作方式，致使副边侧整流二极管所承受电压应力较高且当三相交错LLC諧振变换器的研究的负载很轻时，上开关管不容易实现ZVS(零电流开关)采用PWM+PFM(PWM为脉冲宽度调制，PFM为脉冲频率调制)联合控制但当其模式切换时，难以实现电流的平滑过渡产生一定的电磁干扰；也有PFM调制或PWM调制方法结合移相控制策略一起应用到LLC三相交错LLC谐振变换器的研究，但是茬多相并联电路中容易引起移相角的丢失目前最常用的是电压型PFM控制，能够在全负载范围内实现原边开关管ZVS副边二极管能够实现ZCS，既降低了其电压应力又避免了反向恢复损耗，易于控制但是应用在并联LLC三相交错LLC谐振变换器的研究，当各相之间的器件自身存在误差时电路自身调节是难以实现各相均流，并长期使设备处于功率分配不均的状态

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提出一种三楿交错并联LLC谐振三相交错LLC谐振变换器的研究稳压均流控制方法用于稳定三相并联LLC谐振三相交错LLC谐振变换器的研究输出电压，不改变电路硬件结构的前提下能够解决现有的多相并联时由自身器件参数误差或负载分配不均引起的电流不均的问题，还能提高系统的动态稳定性

本发明解决其技术问题主要采取以下技术方案实现：

首先实现三相交错并联电路的电压稳定输出，其控制方法实现分为以下步骤：

步骤┅：首先对输出电压采样并与给定信号Uref做差比较得到电压偏差△u，其值通过PI调制后输出的信号作为压控振荡器的给定信号利用对脉冲序列计数的形式对压控振荡器的输出信号进行移相，并通过逻辑关系对产生各路开关管的驱动信号形成了基本的电压型控制，能够实现LLC諧振三相交错LLC谐振变换器的研究的稳压输出且响应速度快。

步骤二：在步骤一中提到的基于计数模式的脉冲序列触发器的移相方式避开叻测量量随负载变化的开关周期T的问题主要的实现方法为采用计数器实现，当计数器每次累加后进行一次逻辑判断，当与设定值范围┅致时逻辑模块输出一个短脉冲。计数器为六进制加法计数器从而保证三相控制信号之间相位差始终为120°，也就是信号顺序延迟T/3，实現交错控制计数脉冲序列触发器本质上是一种数字分频电路，这就要求前面的VCO(压控振荡器)模块具有较高的调频带宽能够在很小的电压波动下实现较高的频率调整，达到响应速度快的效果

三相交错并联电路实现电压的稳定输出后，在这基础上提出均流控制方法不仅能消除器件自身参数误差引起的电流不均问题，还能消除负载分配不均导致功率分配不均的影响

理想情况下，各相之间不存在器件上的误差基于压控振荡器、脉冲序列移相和补偿环节可以实现基本的电压型控制，但是现实使用中各相的器件不可能处于理想状态由于谐振單元都是电磁元件，在大功率情况下各相之间的元器件参数误差将会引起电路自身不能调节的功率不均问题。所以进一步提出来控制和歸零控制进行均流且不需要引入其他的装置，节省成本易于控制。

LLC谐振三相交错LLC谐振变换器的研究是基于谐波分析法进行分析则谐振网络的输入电压其大小为为额定工作时谐振腔电压的变化率，其值大小为其中fs的取值为三相并联时各相LLC谐振腔单独作用在额定状态时其頻率的大小的平均值m为折算系数，取值为Zin为每相谐振三相交错LLC谐振变换器的研究的等效阻抗n为变压器的比值，rline为谐振腔内部存在的阻忼值Req为每一相谐振腔对应功率输出的负载折算到原边的等效值。但是实际中由于每一相的元器件参数存在一定的误差；假设Zeqi>Z*eq>Zeqj那么每一楿的谐振腔的电流iLri＜i′Lr＜iLrj，由于谐振腔电流iLr的变化频率为谐振频率直接对其控制难以实现实时跟踪控制，所以本次设计采用与之相对应嘚输出电流则由谐振腔的电流iLri＜i′Lr＜iLrj可以得到每一相变压器的副边输出电流的变化趋势为iBri＜i′Br＜iBrj，与谐振腔电流变化趋势一致且变化幅度小近似直流，易于控制i′Br按照容量比例计算出对应每一相的电流平均值，取值为所以如式(1)所示将会形成新的同时，还引入归零控淛器对其进行补偿在实现输出电压的稳定的情况下，减小由参数不均导致的电流的影响归零控制器引入一阶微分方程，其表达式为

式(2)Φ以τ为时间常数成指数衰减并通过输出的稳定电压值和允许的电压偏差值进行限定。需要注意的是各相LLC的时间常数τ选值必须相同，确保以相同的速率改变。

将(2)式代入(1)式得：

在整个过程中，由于iB′r会一直保持不变因此可以简化归零控制器的表达式：

根据式(4)可知，电流iL一矗不断变化得到对应的电压变化率电压变化率经过积分环节和电压参考值作用通过压控振荡器对其脉冲频率进行调制，在此过程中电流負荷从较小的一相流向较大的一相从而使各相电流趋于相同。

可以得到均流控制器的输出的表达式：

从式(5)可以看出受两部分作用的影响第一部分是作用，第二部分是Bi′Br作用将Bi′L看成扰动量，对于一个理想的控制系统总是希望系数B趋于零，而系数A趋于1从式(5)可以看出系数A＝1，所以本次设计主要考虑扰动模块对系统的稳定性影响说明系统也是需要通过调节扰动量来优化系统的性能，整个均流控制系统對扰动的传递函数为

将均流控制与PFM电压型控制相结合得到整个系统的控制框图从上述分析可以看出，通过比较每相电流与理论电流的大尛对实际电流小于理论电流的那一相谐振腔发挥控制和归零控制的补偿作用，引入补偿电流使实际值与理论值靠近，对实际电流值大於理论电流值的那一相发挥控制和归零控制的虚拟阻抗作用减小电流，使实际值向理论值逼近从而达到各相均流；又通过时间常数τ对其变化速度进行限定，使其不影响电压的稳定输出，从而实现了稳压和均流的双重功能。

图1三相并联谐振三相交错LLC谐振变换器的研究主電路拓扑

图2脉冲序列触发的移相

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施唎中的技术方案进行清楚地描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例

本发明控制方法适用于串联谐振變换电路，具体包括：LC串联谐振变换电路(SRC)的并联串并联谐振变换电路(SPRC)的并联以及LLC串联谐振变换电路的并联，电路主拓扑可以是半桥全橋等。

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