并聯(lián)全橋LLC諧振變換器直流母線(xiàn)電壓控制方法

李國(guó)棟，閆海云，陳培育，王旭東，貝太周

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；2.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072）

并聯(lián)全橋LLC諧振變換器直流母線(xiàn)電壓控制方法

李國(guó)棟1，閆海云2，陳培育1，王旭東1，貝太周2

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；2.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072）

為了解決并聯(lián)全橋LLC諧振型DC-DC變換器直流母線(xiàn)電壓控制問(wèn)題，提出了一種基于半橋/全橋結(jié)構(gòu)切換的控制策略。在輕載的工況下通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將全橋LLC轉(zhuǎn)化為半橋LLC，解決了在光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)中直流母線(xiàn)電壓無(wú)法精確控制的問(wèn)題。同時(shí)利用電壓死區(qū)控制器和電流死區(qū)控制器，達(dá)到直流母線(xiàn)電壓控制和兩路并聯(lián)均流的效果。為了驗(yàn)證方法的正確性和有效性，利用7 kW樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該方法有效降低了電壓紋波，縮短了負(fù)荷投切時(shí)的電壓調(diào)節(jié)時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)了兩路并聯(lián)均流。

LLC諧振變換器；全橋和半橋；輕載工況；直流母線(xiàn)電壓控制；均流

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，光伏發(fā)電在新能源中占據(jù)主導(dǎo)地位，但是由于光伏板與地之間存在寄生電容，就會(huì)產(chǎn)生漏電流，它不僅對(duì)人身安全造成威脅，也對(duì)設(shè)備造成損害，因此光伏系統(tǒng)中采用電氣隔離成為研究重點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)采用工頻變壓器進(jìn)行隔離，體積大、笨重、成本高、效率低，LLC諧振變換器相對(duì)傳統(tǒng)工頻變壓器，減輕了重量、縮小了體積、降低了成本，又提高了電能質(zhì)量和安全性[2-3]，LLC諧振變換器與其他3種隔離型DC-DC變換器在文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行詳細(xì)的討論。

諧振技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的一種優(yōu)化方法得到了人們普遍的關(guān)注，在變換器中，它以諧振網(wǎng)絡(luò)作為基本變換單元，通過(guò)其發(fā)生諧振時(shí)電路中的電壓或電流可以周期性地降為零，從而使開(kāi)關(guān)管可以零電壓或零電流導(dǎo)通關(guān)斷[5]，降低了開(kāi)關(guān)損耗，可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開(kāi)關(guān)。

同時(shí)LLC諧振變換器也存在問(wèn)題，如在輕載條件下電壓增益超出規(guī)定范圍，解決這個(gè)問(wèn)題的傳統(tǒng)方法是提高開(kāi)關(guān)管的工作頻率，而頻率的大幅度增加必然會(huì)導(dǎo)致ZVS丟失的問(wèn)題，也會(huì)引起輸出電壓的紋波增大，效率降低，增加電磁干擾[6]。

為了更好地實(shí)現(xiàn)母線(xiàn)電壓控制，本文提出在重載工況下利用全橋LLC變換器對(duì)母線(xiàn)電壓進(jìn)行控制，在輕載工況下利用半橋LLC變換器對(duì)母線(xiàn)電壓進(jìn)行控制，當(dāng)輕載與重載相互轉(zhuǎn)換的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)半橋與全橋的相互轉(zhuǎn)換，并且不需要使用高頻驅(qū)動(dòng)，還可以減少電壓紋波。本文首先分析了由全橋轉(zhuǎn)換到半橋的原理，并分析了LLC變換器的增益曲線(xiàn)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 輕載直流母線(xiàn)電壓控制問(wèn)題

在圖1所示的光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)中，LLC后級(jí)630 V直流母線(xiàn)電壓由逆變器控制，而前級(jí)400 V直流母線(xiàn)電壓由LLC控制。當(dāng)LLC處于輕載狀態(tài)時(shí)，受限于電壓增益過(guò)高，當(dāng)后級(jí)電壓為630 V時(shí)，前級(jí)400 V直流母線(xiàn)電壓會(huì)略低于400 V。且由于受制于較窄的閉環(huán)帶寬，LLC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢[7]。

圖1 戶(hù)用光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)Fig.1 Residential microgrid with PV/energy storage

對(duì)LLC諧振變換器的精確分析會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很復(fù)雜的模型，Steigerwald提出了一種簡(jiǎn)單的方法——基波近似FHA（first harmonic approximation）[8-9]，用來(lái)分析輸出電壓和輸入電壓的比值（電壓增益），適用于諧振型變換器。圖2為全橋LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，諧振電感Lr、諧振電容Cr和變壓器勵(lì)磁電感Lm共同組成了諧振網(wǎng)絡(luò)，變壓器的變比為n∶1，Q1、Q2、Q3、Q4均為變壓器原邊的MOSFET，D1、D2、D3、D4均為變壓器副邊的二極管。圖 3為全橋LLC諧振變換器等效FHA電路模型，CPC表示整流二極管的寄生電容[9]，由此可得電壓增益為GFHA。在FHA等效電路中，電壓增益GFHA可以定義為

圖2 全橋LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of full-bridge LLC resonant converter

圖3 FHA電路模型Fig.3 FHA circuit model

式中：f為L(zhǎng)LC的工作頻率；Uo為輸出電壓；Uin為輸入電壓；Ro為負(fù)載。

圖4中，“全橋LLC增益理論曲線(xiàn)”即是對(duì)應(yīng)輕載工況下的式（1）的GFHA，“額定增益”為保持系統(tǒng)穩(wěn)定下的兩條直流母線(xiàn)的電壓比630 V/400 V?！叭珮騆LC增益理論曲線(xiàn)”出現(xiàn)先下降后上升的現(xiàn)象，導(dǎo)致以上兩條曲線(xiàn)沒(méi)有交點(diǎn)，說(shuō)明全橋LLC在輕載工況下無(wú)法獲得額定增益，在LLC后級(jí)母線(xiàn)電壓由逆變器控制在630 V的情況下，LLC前級(jí)母線(xiàn)電壓會(huì)始終略高于400 V。

圖4 輕載工況下的半橋LLC和全橋LLC的增益曲線(xiàn)Fig.4 Gain curves of a half-bridge LLC and a full-bridge LLC under light load condition

2 全橋/半橋切換控制原理

在傳統(tǒng)頻率控制的基礎(chǔ)上，對(duì)LLC的變壓器原邊側(cè)的開(kāi)關(guān)管Q3和Q4的控制信號(hào)加以調(diào)整。當(dāng)LLC處于重載狀態(tài)時(shí)，全部開(kāi)關(guān)管采用傳統(tǒng)的頻率控制；而當(dāng)LLC處于輕載狀態(tài)時(shí)，如圖5所示，左側(cè)橋臂的開(kāi)關(guān)管的控制方式不變，將開(kāi)關(guān)管Q3控制信號(hào)置“0”，關(guān)斷Q3，將Q4控制信號(hào)置“1”，開(kāi)通Q4，就可以實(shí)現(xiàn)全橋向半橋的轉(zhuǎn)換。全部的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖6所示。假設(shè)諧振網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載均為常量，由于半橋諧振網(wǎng)絡(luò)輸入側(cè)等效的基波電壓是全橋的一半，所以電壓增益為

由式（2）可知半橋的直流增益變?yōu)槿珮蛑绷髟鲆娴囊话?，故可在增益曲線(xiàn)隨頻率單調(diào)下降的區(qū)間內(nèi)找到合適工作頻率達(dá)到合理增益，最終有效控制母線(xiàn)電壓。如圖4所示，輕載工況下，半橋LLC電路的理論曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)均和額定增益有交點(diǎn)，故采用半橋LLC電路拓?fù)洌诎霕騆LC增益曲線(xiàn)單調(diào)下降的區(qū)間內(nèi)可有效追蹤電壓增益，穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓。

圖5 半橋LLCFig.5 Half-bridge LLC

圖6 驅(qū)動(dòng)信號(hào)示意Fig.6 Schematic of drive signals

如圖7所示，采用一個(gè)滯環(huán)控制器，生成半橋/全橋的切換信號(hào)SIGNAL_FH，避免因家庭負(fù)荷Pinv頻繁擾動(dòng)而出現(xiàn)的全橋/半橋兩種工作模式頻繁切換的問(wèn)題。

圖7 半橋/全橋切換信號(hào)Fig.7 Switching signals between a half-bridge and a full-bridge

圖8為L(zhǎng)LC控制流程，保證了LLC在全負(fù)載范圍內(nèi)均可對(duì)直流母線(xiàn)電壓進(jìn)行精確控制。

圖8 LLC直流母線(xiàn)電壓控制流程Fig.8 Flow chart of LLC DC bus voltage control

若SIGNAL_FH為0，則進(jìn)入子程序1，即輕載工況下的半橋模式調(diào)節(jié)程序。給出空載工況的初始頻率fh_on信號(hào)，產(chǎn)生頻率為fh_on、占空比為1/2的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此后開(kāi)始利用以上提出的電壓死區(qū)頻率控制方案對(duì)空載工況下的半橋LLC變換器進(jìn)行控制。若SIGNAL_FH為1，則進(jìn)入子程序2，由控制器給出重載工況的初始頻率ff_on信號(hào)，產(chǎn)生頻率為ff_on，占空比為1/2的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此后開(kāi)始利用以上提出的電壓死區(qū)控制器對(duì)重載工況下的半橋LLC變換器進(jìn)行控制。若在工作過(guò)程中，檢測(cè)到SIGNAL_FH信號(hào)由“0”轉(zhuǎn)換到“1”，則由子程序1跳轉(zhuǎn)到子程序2運(yùn)行。即當(dāng)檢測(cè)到SIGNAL_FH信號(hào)由“1”轉(zhuǎn)換到“0”，則由子程序2跳轉(zhuǎn)到子程序1運(yùn)行。即當(dāng)檢測(cè)到LLC由重載狀態(tài)轉(zhuǎn)換到空載狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，LLC電路結(jié)構(gòu)由全橋轉(zhuǎn)換到半橋運(yùn)行，工作頻率在fh_on的初值上，以Δf1的步長(zhǎng)變化，直至輸入電壓被控制在與參考值誤差的絕對(duì)值在ΔU1的范圍內(nèi)。其中Δf1為

若檢測(cè)到LLC由空載狀態(tài)轉(zhuǎn)換到重載狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，LLC電路結(jié)構(gòu)由半橋轉(zhuǎn)換到全橋運(yùn)行，工作頻率切換到ff_on的全橋電路工作初值上，以Δf2的步長(zhǎng)變化，直至輸入電壓被控制在與參考值誤差的絕對(duì)值在ΔU2的范圍內(nèi)。其中Δf2為

為了保證兩路并聯(lián)LLC的均流控制，添加了電流死區(qū)控制器。當(dāng)?shù)?路LLC的電感電流的有效值ILr1大于第2路的有效值ILr2，且誤差超過(guò)ΔI時(shí)，第1路LLC的工作頻率上升Δf3，第2路LLC的工作頻率下降Δf3。其中Δf3為

相反，當(dāng)?shù)?路LLC的電感電流的有效值ILr1大于第2路的有效值ILr2，且誤差超過(guò)ΔI時(shí)，第2路LLC的工作頻率上升Δf3，第1路LLC的工作頻率下降Δf3。由于LLC的電流隨著頻率的上升而下降，此舉可達(dá)到并聯(lián)均流的目的。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上提出的輕載半橋、重載全橋的控制方法，本文采用一個(gè)滯環(huán)控制器，使得LLC在全負(fù)載范圍內(nèi)均可對(duì)直流母線(xiàn)電壓進(jìn)行控制。為了保證兩路并聯(lián)LLC的均流控制，添加了死區(qū)控制器。為了驗(yàn)證上述理論的正確性，基于一個(gè)7 kW并聯(lián)全橋LLC變換器系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

基于以上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，輕載和重載相互轉(zhuǎn)換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)半橋和全橋的轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示，圖中U400為直流母線(xiàn)電壓，U630為直流母線(xiàn)電壓，IL1為上級(jí)LLC諧振電感電流，IL2為下級(jí)LLC諧振電感的電流。

圖9（a）為原控制方案下的實(shí)驗(yàn)波形，當(dāng)負(fù)荷緩慢由7.2 kW降低至0時(shí)，400 V直流母線(xiàn)電壓降低到360 V以下，并且出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)0.5 s的調(diào)節(jié)時(shí)間。圖9（b）為新控制方案下負(fù)載從輕載到帶載切換的實(shí)驗(yàn)波形。LLC工作首先工作在半橋模式下，LLC電感電流有效值緩慢上升。之后LLC由半橋工作模式切換到全橋工作模式，半橋模式時(shí)的諧振電感電流是全橋模式時(shí)的兩倍，所以L(fǎng)LC諧振電感電流有效值出現(xiàn)突降再緩慢上升的現(xiàn)象。直流母線(xiàn)電壓保持恒定。圖9（c）為新控制方案下負(fù)載從重載到輕載切換的實(shí)驗(yàn)波形。LLC首先工作在全橋模式下。之后由全橋工作模式切換到半橋工作模式，半橋模式時(shí)的諧振電感電流是全橋模式時(shí)的兩倍，所以L(fǎng)LC的諧振電感電流有效值出現(xiàn)緩慢下降再突升的現(xiàn)象。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，由LLC所控制的400 V直流母線(xiàn)電壓和逆變器所控制的630 V直流母線(xiàn)電壓出現(xiàn)小幅波動(dòng)，最大達(dá)到±10 V。無(wú)論從輕載切換到重載還是從重載切換到輕載，電流沒(méi)有出現(xiàn)沖擊，兩路LLC基本達(dá)到均流，整個(gè)過(guò)程控制效果良好。

圖9 實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)LLC在直流母線(xiàn)電壓控制和均流方面存在的一些技術(shù)問(wèn)題，做出了相應(yīng)的改進(jìn)。輕載工況下時(shí)，在傳統(tǒng)的頻率控制的基礎(chǔ)上，對(duì)LLC的變壓器原邊側(cè)開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)加以調(diào)整，將全橋LLC轉(zhuǎn)換成半橋LLC，達(dá)到在LLC增益曲線(xiàn)上翹現(xiàn)象出現(xiàn)之前控制直流母線(xiàn)電壓的效果，并且不需要提高開(kāi)關(guān)管的工作頻率就可以穩(wěn)定輸出電壓?；诖耍ㄟ^(guò)對(duì)LLC的前級(jí)變換器的輸出功率的檢測(cè)，采用一個(gè)滯環(huán)控制器生成半橋全橋切換信號(hào)，在全負(fù)載范圍內(nèi)控制母線(xiàn)電壓。利用電壓死區(qū)控制器，在暫態(tài)過(guò)程中控制直流母線(xiàn)電壓，利用電流死區(qū)控制器實(shí)現(xiàn)電流均流。為了驗(yàn)證本方案的可行性，利用已有的7 kW LLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該方法簡(jiǎn)單可行，效果良好。

[1]肖華鋒，謝少軍，陳文明，等（Xiao Huafeng，Xie Shaojun，Chen Wenming，et al）.非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器漏電流分析模型研究（Study on leakage current model for transformerless photovoltaic grid-connected inverter）[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2010，30（18）：9-14．

[2]付華，柳夢(mèng)雅，陳子春（Fu Hua，Liu Mengya，Chen Zichun）.風(fēng)光儲(chǔ)電動(dòng)汽車(chē)換電站多目標(biāo)運(yùn)行優(yōu)化（Multiobjective optimization of battery swapping station with wind photovoltaic and energy storage）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2016，28（4）：38-43．

[3]喬世波，盧樂(lè)，路凱飛，等（Qiao Shibo，Lu Le，Lu Kaifei，et al）.基于LLC隔離的光伏并網(wǎng)逆變器研究（Research of photovoltaic grid-connected inverter isolated by LLC）[J].現(xiàn)代電子技術(shù)（Modern Electronics Technique），2013，36（18）：164-167．

[4]Bo Yang.Topology Investigation of Front-End DC/DC Converter for Distributed Power System[D].Blacksburg：Virginia Tech，2003.

[5]榮德生，代雨晴，陳淑涵（Rong Desheng，Dai Yuqing，Chen Shuhan）.交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向DC/DC變換器Boost模態(tài)建模（Modeling of interleaved magnetic integrated bidirectional DC/DC converter in boost mode）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2016，28（8）：13-19．

[6]張?chǎng)╂茫╖hang Wenting）.基于LLC諧振的雙向全橋DCDC變換器的研究（A Bi-Directional Full Bridge DC-DC Converter Based on LLC Resonant Tank）[D].秦皇島：燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院（Qinhuangdao：School of Electrical Engineering，Yanshan University），2013.

[7]Hu Zhiyuan，Wang Laili，Liu Yan-Fei，et al.Bang-Bang charge control for LLC resonant converters[J].IEEE Trans on Power Electronics，2015，30（2）：1093-1108.

[8]陸治國(guó)，余昌斌（Lu Zhiguo，Yu Changbin）.基于FHA的LLC變換器穩(wěn)態(tài)分析（Steady state analysis of LLC resonant converters based on FHA）[J].低電壓器（Low Voltage Apparatus），2007（17）：9-14.

[9]Lee Byoung-Hee，Kim Moon-Young，Kim Chong-Eun，et al.Analysis of LLC resonant converter considering effects of parasitic components[C]//International Telecommunications Energy Conference.Incheon，South Korea，2009.

DC Bus Voltage Control Method for Paralleled Full-bridge LLC Resonant Converter

LI Guodong1，YAN Haiyun2，CHEN Peiyu1，WANG Xudong1，BEI Taizhou2
（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China；2.School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

To solve the DC bus voltage control problem of paralleled full-bridge LLC resonant converter，a control scheme based on the switching between a half-bridge LLC and a full-bridge LLC is proposed.Under light load conditions，the full-bridge LLC is transformed into the half-bridge LLC through changing the drive signals of switches，which regulates the DC bus voltage accurately in a photovoltaic/energy storage system.Meanwhile，through utilizing the voltage dead-band controller and current dead-band controller，the DC bus voltage is regulated and the currents are shared between two LLC resonant converters.To verify the proposed method，tests were carried out using a 7 kW prototype.The results show that the proposed method can reduce the voltage ripple and the regulation time of voltage during load disturbance，and realize current sharing between two paralleled LLC resonant converters.

LLC resonant converter；full-bridge and half-bridge；light load condition；DC bus voltage control；current sharing

TM464

A

1003-8930（2017）10-0060-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.011

2016-01-12；

2017-08-01

國(guó)網(wǎng)總部科技資助項(xiàng)目《戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用》

李國(guó)棟（1978—），男，通信作者，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、電力系統(tǒng)分析技術(shù)研究。Email：tjLGD@163.com

閆海云（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)閼?hù)用光伏系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。Email：zhangyanyj@126.com

陳培育（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)研究。Email：chenpeiyu400@sina.com