杨帅锅
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一种宽范围可实现ZVZCS工作的LLC谐振变换器的控制与思考
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一种宽范围可实现ZVZCS工作的LLC谐振变换器的控制与思考

前言:

我对LLC谐振拓扑实现宽范围ZVZCS的研究一直没有停止,(2020年/11月)我推送了使用DAB SRC的方法来实现谐振全桥的ZVZCS工作,可见:一种基于DAB SRC的ZVZCS控制实现与仿真,基于它的思路也推送了三相DAB的实现方法:一种三相交错DAB SRC的ZVZCS控制实现与仿真。但是这种控制方法需要把副边全桥拉起来一起控制,这加大了系统的控制复杂度,应用在双向DCDC就挺好,单向DCDC就挺麻烦。

如果想只控制原边H桥的四个开关管就实现宽范围ZVZCS工作,就非常困难。因为你只能把原边H桥固定在谐振频率上,再通过其它方法来实现增益的调整,可见这篇文章里提到的实现方法:两种谐振全桥实现ZVS和ZCS的控制方式思考

但从这篇文章中我提炼和总结了想要实现ZVZCS的关键操作,那就是:让谐振电流的上升和下降沿的时间不等如果谐振腔的电流波形在上升速度快于下降速度或者下降速度快于上升的速度,那么在一个正弦周期内,它就会提前下降到零。你肯定会问怎么实现呢?RLC的串联谐振,如果没有人为干预,谐振电流的上升和下降的斜率肯定是一样的,它会严格的按正弦波的方式变化。我们先来看波形,等下再说原理:

可见图一,上面是正常的LLC工作在谐振频率时的电流波形,下面是加快了电流上升速度的谐振电流波形。

(图一  ZVZCS实现的关键操作)

根据这个思路的仿真测试波形可见图二,具体原理请参考:《两种谐振全桥实现ZVS和ZCS的控制方式思考》

(图二  人为改变了谐振电流上升速度)

上图中的谐振电流波形在上升沿的速度快,下降沿速度慢的主要原因,是因为引入了副边低端开关管的控制,通过副边开关来短路副边绕组,让加在谐振电感上的电压变高,从而提升了电流上升的斜率。这个点子给了我非常多的思考空间。    

最近一位在英国读博的朋友发来一本沙德尚老师的《 Deshang Sha, Guo Xu - High-Frequency Isolated Bidirectional Dual Active Bridge DC–DC Converters with Wide Voltage Gain (2019, Springer Singapore) 》一书。我从该书的第四章:《Dual-Transformer-Based DAB Converter with Wide ZVS Rangefor Wide Voltage Gain Application》获得了一些启发。 

且看下图是增加了一个固定电压桥臂和一个变压器后的DAB变换器,通过调整两个变压器的串联的输出电压VDE和副边桥臂VFG的相位差,来实现在不同负载情况下DAB的工作效率优化和减少无功换流。这个idea通过引入被动桥臂的VAB的电压,再调整主动桥臂VAC的电压,在重负载时候VAC的占空比全开,轻负载时VAC的占空比最小化。(备注:这个控制方法沙老师已经申请了发明专利)

(图三  双变压三桥臂DAB变换器) 

下图四是典型工况的电压波形:我们需要重点关心VAC、VAB、VDE和VFG的几个电压。可知S1/S4的移相调整得到VAC的电压波形,也就是下图中的D1*Ts这个波。两个电容串联的被动桥臂引入后VAB上产生有V1/2的对称方波,它与S1/S2共同组成不可调的固定电压VAB。通过两个变压器的串联方法将这两个电压叠加起来得到VDE,也就是下图中红色的波形。

继而通过VDE与副边桥臂VFG的相位角度来调节输出功率,同时还可以调整S1/S4这个主动桥臂的移相角度来调整VDE上的电压波形,VDE在最大时可以是V1,最小时是V1/2。在闭环调整时可能存在三个电平V1、V1/2、0。因此可以在不同负载时来降低环流,优化效率。在S1/S4的移相为0.25*Ts时,VDE的电压为V1和V1/2的时间相等,因此可以让流过电感Lk的电流波形上升和下降沿的速度相等,来实现ZCS工作。

(图四 各个关键点的电压波形)  这个被动桥臂的引入后,再通过变压器的串联叠加就能改变加在电感上的电压波形,也让我看到了一些希望。如果是把电容换成一组主动桥臂,让S1/S4就以50%的对称开关,我通过调整主动桥臂的占空比也能改变一些东西,比如:可以改变加在电感两端的电压。

由于我对这个实现特别感兴趣,所以去查看了这个章节的一个参考文献:《Ning G, Chen W, Shu L, Qu X (2017) A hybrid ZVZCS dual transformer-based full-bridgeconverter operating in DCM for mvdc grids. IEEE Trans Power Electron 32(7):5162–5170》  在这篇文章中我看到了这个图和我思路出发点一样,通过把电容改为主动桥臂后,调整对应的占空比来实现对电感两端电压VLt的影响,功率拓扑可见图五:

(图五 增加主动桥臂和双变压器串联)  关键控制波形可见图六:可以看到当主动桥臂Q5/Q6关闭时,电感电压VLt明显产生了负向电压,这个负向电压让电感电流快速下降到零,实现了ZCS工作。

(图六 关键控制波形)  于是我立刻联想到我的ZVZCS谐振全桥LLC的研究,如果我能利用主动桥臂提前关闭产生了加在电感上的反向电压,就可以让电感电流的下降速度大幅度提高,甚至提前达到零点从而实现ZVZCS工作,其原理可见图七所示:

(图七 改变电流下降斜率提前过零)  所以,我现在的思路是通过引入外部措施来改变谐振腔电流的下降速度或者叫斜率,它们都是改变电感上的电压来实现ZCS。然后LLC依靠变压器的励磁电流来实现ZVS。所以这样看起来LLC谐振变换器的ZVZCS控制已经有实现的可能性了,且看:

  1. 增加一路主动桥臂,用来提供电感上的反向电压
  2. 使用变压器的励磁电感实现ZVS
  3. 两个变压器的匝比可以相等也可以不等,匝比会影响反向电压强迫电感电流下降的速度,这个根据实际项目进行调整和优化
  4. 副边使用二极管桥不控整流,并且是ZCS简化SR控制逻辑和电压应力
  5. 由于当辅助桥臂占空比为0时,仅能输出一个变压器的电压。所以得到了非常宽范围的增益,比如两个变压器匝比为2/1,输入400V,当辅助桥臂占空比0.5时,在谐振频率时能输出400V(增益为1),当辅助桥臂占空比为0时,仅能输出200V(增益还是1),所以辅助桥臂的占空比引入后能和PFM一起实现非常灵活的控制策略,同时也保证了非常宽的增益范围。
  6. 增加的桥臂和变压器均分了副边的输出功率,这样降低了系统实现ZVZCS的成本和所有器件的热应力

综上所述下面是系统拓扑,可见图八、图九,分别是两个变压器串联,同时增加了辅助桥臂:

(图八 全桥LLC和辅助桥臂)  也可以把LLC全桥换为半桥,取消一组高频开关用电容器来做被动桥臂,两种实现的原理是相同的。

(图九 半桥LLC和辅助桥臂)  典型工况测试:输入400V,匝比2/1,工作在谐振频率75KHz,辅助桥臂占空比0.45,输出400V/7KW,运行测试,波形可见图十。

(图十 典型工况测试)  从仿真的测试波形图十可以看到,由于辅助桥臂Q9/Q10的提前关闭,在谐振电感两端产生了很高的反向电压。使得谐振电流下降的斜率明细增加,很快就下降到等于励磁电流的平台区域,变压器的励磁电流用于实现ZVS。  图十一是变压器的副边电压和电流以及原变电流,可以看到副边电流都能回到零点,这个对副边整流器实现SR控制的时序逻辑会比较方便。另外就是原边的两个变压器的电流相等,相当于是均分了负载功率,这样对设计变压器和辅助桥臂的开关器件的选型也有益处。

(图十一 变压器副边电压电流和原变电流)  从上面的讨论和分析来看,通过调整辅助桥臂的占空比来加快谐振电流下降的斜率,用于实现ZVZCS的实现原理已经介绍完毕,所以下面开始测试在不同工况时的系统性能:0、输入400V,匝比2/1,工作频率75KHz,辅助桥臂占空比0.475,输出400V/8KW,增益1.0,运行测试:

1、输入400V,匝比2/1,工作频率125KHz,辅助桥臂占空比0.45,输出361V/6.5KW,增益0.905,运行测试:

2、输入400V,匝比2/1,工作频率125KHz,辅助桥臂占空比0.25,输出310V/4.8KW,增益0.775,运行测试:

3、输入400V,匝比2/1,工作频率100KHz,辅助桥臂占空比0.1,输出230V/5.3KW,增益0.575,运行测试:

4、输入400V,匝比2/1,工作频率100KHz,辅助桥臂占空比0,输出183V/3.3KW,增益0.45,运行测试:(这个就是普通LLC PFM波形)

从测试的几个工况来看,这种控制方法能在非常宽的工作范围上实现原边开关ZVZCS,副边整流器实现ZCS。为了实现更高转换效率可以考虑把频率和辅助桥臂的占空比耦合起来,推导成输出功率的函数来同时控制频率和占空比,从而优化系统效率。考虑到当辅助桥臂占空比减小时,所有输出功率由LLC主变压器和桥臂承担,这样不利于效率的优化。因此建议在中高负载时先固定辅助桥臂占空比,只要能实现ZVZCS就先不要操作辅助桥臂。先通过PFM来调整增益输出,而当系统负载较低,则可以固定开关频率在高频,转为调整辅助桥臂的占空比来实现对增益的控制。把这些策略综合起来就可以优化全局效率。

小结和未来工作: 

根据参考文献2的思路,提出了双变压器三桥臂,宽范围ZVZCS的控制方法,实现了在不同的增益工况下的双软开关工作,优化了各种负载的效率,提升了系统的功率密度。该实现方式控制方法简单可行,增加的变压器和辅助桥臂均能分担系统功率,系统拓扑和控制方法具有非常高的实用意义,希望下一步能根据这个idea做出有竞争力的产品。  从目前的工作来看,仅是提出了这个idea的简单思路,其实还可以深挖很多内容出来,比如:辅助桥臂占空比和开关频率的优化,不同增益区间的最优工作点寻找,实际数据的测试和实验,以及往产品化方向的深入发展。

这些工作我都会在后面陆续更新,谢谢支持。本人能力有限,如有错误,恳请帮忙指正,谢谢!

下载关键字:LLC_ZVZCS_0625

参考文献:

1、Ning G, Chen W, Shu L, Qu X (2017) A hybrid ZVZCS dual transformer-based full-bridgeconverter operating in DCM for mvdc grids. IEEE Trans Power Electron 32(7):5162–5170

2、Deshang Sha, Guo Xu - High-Frequency Isolated Bidirectional Dual Active Bridge DC–DC Converters with Wide Voltage Gain (2019, Springer Singapore) 

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