基于CLLC諧振變換器的三級電源變換器單元設計

徐 海，張學增，劉宏勛，田 銳

(1.河北工業大學電氣工程學院省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130；2.河北工業大學電氣工程學院河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津 300130)

堅強智能電網以及泛在電力物聯網的提出對電能變換裝置提出了新要求。近年來，多級電源變換器，又名電力電子變壓器(PET)的研究受到廣泛關注，隨著以新材料碳化硅為代表的功率器件的研究不斷深入，高性能諧振變換器技術逐漸成熟。

多級電源變換器是一種能實現不同電能特征相互轉換的智能變壓器。它除了能實現傳統變壓器電氣隔離與電能變換的功能之外，還具有豐富的特性，如具備直流端口，可接入分布式可再生能源，進行功率調控等[1]。此外，由于變壓器高頻工作，其體積和質量相較于工頻變壓器可明顯減小，小型輕量的同時也便于模塊化集成，亦可級聯單元以滿足不同電壓等級的需求。圖1 為多級電源變換器的部分應用展望[2]。圖2 為PET 的發展歷程及相關研制成果[1-7]。

圖1 多級電源變換器的部分應用展望

圖2 PET的發展歷程及部分研制成果

三級電源變換器的結構大多采用如圖3 所示的模塊結構，即輸入整流級，中間隔離級和輸出逆變級。為滿足高壓大功率的需求，輸入側常采用級聯單元的形式以承受高壓側電壓。

圖3 三級電源變換器模塊結構

由于高性能碳化硅器件的發展，應用新材料器件研制變換器成為一大熱點。此外，為提高效率及功率密度，在DC/DC 隔離級，諧振變換器的應用更為廣泛[8]。該單元設計即在DC/DC 環節應用CLLC 諧振變換器對單相三級變換器單元進行設計和仿真驗證。該單元采用如圖3 所示的模塊結構，各模塊獨立控制，以便于設備之間獨立與集成。考慮到后續樣機設計所采用的碳化硅功率器件耐壓水平多為1.2 kV，故所設計單元整體電壓變換為220 V AC 到220 V AC，諧振變換器的直流電壓變換為500～400 V。整流模塊和逆變模塊均引入比例諧振(PR)控制，采用單極性倍頻調制。此外，考慮到直流側出現的二倍頻脈動，引入串聯諧振電路加以抑制。對CLLC 諧振變換器的參數設計采用基波分量法，控制方式為定頻率控制。在Simulink 中搭建傳輸功率5 kW 的各個模塊的仿真模型并集成，結果驗證了所設計單元的可行性。這對后來進行能量雙向流動，級聯單元的研究以及各個模塊樣機的制作打下了基礎。

1 整流模塊

對于整流模塊，選用拓撲為單相全橋電壓型整流(VSR)電路，脈沖寬度調制(PWM)整流器的結構如圖4 所示。該單元開關管的類型均為全控型的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，以便后續采用碳化硅器件進行樣機的研制。

對于單相整流電路來說，輸入側的單位功率因數、輸出側的穩定直流電壓及較少的諧波污染是重要指標，另外還需考慮到開關器件的工作狀況以延長使用壽命。對此需考慮良好的控制策略和調制方式。

圖4 單相全橋電壓型PWM整流器拓撲

單相整流通常采用的控制策略為電壓電流的雙閉環控制，電壓外環和電流內環均采用比例積分(PI)調節，但考慮到電流內環采用PI 調節時，其對正弦信號的跟蹤控制為有差系統，且抗干擾性較差，故為實現對輸入電流的無靜差調節，電流內環采用PR 控制。其本質是設置與輸入關聯的諧振頻率，以獲得較大增益來實現對一定頻率交流電流的無靜差調節，消除穩態誤差[9]。采用PR 調節的雙閉環控制結構如圖5所示。

圖5 雙閉環控制策略框圖

正弦脈沖寬度調制(SPWM)通常采用雙極性調制，通過比較正弦調制波與三角形載波的大小控制開關管S1和S4同時導通或關斷，與S2和S3交替工作。該方式會使得高頻通斷的開關管損耗加大，影響使用壽命。為克服上述缺陷，同時減少輸入側的諧波含量[10]，整流器和逆變器的調制方式均采用單極性倍頻SPWM 調制，其原理如圖6 所示。S1和S2的通斷由調制波ur與載波比較控制，S3和S4的通斷由－ur與載波比較控制。該方式下，vmn對應三種電壓模式，輸出脈沖頻率是開關管的兩倍。

圖6 單極性倍頻SPWM 調制原理

假定在理想情況下，忽略電能變換過程中的能量損耗以及交流輸入側為單位功率因數，則根據功率守恒，交流輸入側功率Ps等于直流輸出功率Pdc1。根據文獻[11]的計算，實際輸出的直流電壓為包含二倍頻分量的脈動直流電壓，如式(1)所示。

為獲得更加穩定的直流電壓，除了考慮控制策略以及調制方式外，還針對輸出用功率解耦的方式加入諧振電路以減小二倍頻脈動的影響，如圖4 所示。諧振頻率為100 Hz，以此來計算L1和C1諧振參數，如式(2)所示。

2 CLLC 諧振變換器模塊

2.1 拓撲結構與工作原理

考慮未來可拓展模塊的需求以及針對儲能系統等應用的能量雙向流動的需要，中間隔離DC/DC 級可考慮采用雙有源橋(DAB)或諧振變換器拓撲。該模塊設計采用CLLC 諧振變換器，其拓撲結構如圖7 所示。相較于DAB，其更適合于中小功率工作條件，效率及功率密度更具優勢[10]。

圖7 CLLC諧振變換器拓撲

變換器在正向工作時，原邊同一橋臂的開關管以50%的占空比互補導通，副邊開關管以反并聯二極管進行不控整流。當需要能量反向流動時，原副邊開關管的工作情況相反[12]。變換器的電壓增益與工作頻率fs密切相關。當變換器工作時，根據副邊二極管是否導通對應的輸出電壓是否對變壓器電壓鉗位可得到變換器的兩個諧振頻率fr和fm，如式(3)～(4)所示：

對fs和fr的比較對應著變換器工作的三種模式，即fs＞fr的過諧振模式，fs＜fr的欠諧振模式及fs=fr的準諧振模式。通常變換器應工作于欠諧振或準諧振模式，以保證變換器的效率和性能，實現原邊開關管的零電壓開通(ZVS)及副邊二極管的零電流關斷(ZCS)。以欠諧振工作模式為例，分析半個周期電路的四種工作狀態如圖8 所示，相應的波形圖如圖9 所示。

圖8 變換器半個周期的工作狀態

對照圖9 進行分析，對于工作狀態1：t1～t2，原邊S5、S8零電壓導通，諧振腔中元件均參與諧振，能量由原邊傳向副邊，副邊S9、S12的反并聯二極管導通。對于工作狀態2：t2～t3，諧振電流iLr等于勵磁電流iLm，副邊諧振電容退出諧振，能量不再傳遞，由于不控整流，S9、S12的反并聯二極管零電流關斷。對于工作狀態3：t3～t4，工作狀態進入百納秒級的死區時間，S5、S8關斷，此時S5、S8結電容由諧振電流充電，S6、S7結電容放電，直至S5和S8開關管兩端電壓上升為輸入直流電壓，S6和S7為0，為其ZVS 創造條件。對于工作狀態4：t4～t5，結電容充放電結束，S6和S7的續流二極管為諧振電流續流，此時諧振電流與勵磁電流不再相等，諧振腔所有元件參與諧振，原邊能量傳向副邊，S11、S10的反并聯二極管開始導通。

圖9 欠諧振工作模式下的波形圖

2.2 基波近似法特性分析

對于設置變換器工作于諧振點附近來說，以基波近似法(FHA)來分析其特性最為適宜。以模態分析法對此分析雖更為精確，但由文獻[13]可知其計算量龐大，頗為復雜。基波分析法對于電壓增益的分析與元件參數選取甚為重要，其本質是將變換器的方波電壓按照傅里葉變換分解后以三角函數基波分量來替代。圖7 對應的基波等效電路如圖10 所示[14]。

圖10 所選拓撲對應的基波等效電路

經分析計算，其電壓增益的表達式[12,14]為：

式中：fn為標幺頻率，其值為實際開關頻率fs與諧振頻率fr的比值；Q為品質因數，其值為特征阻抗Z與等效電阻的比值；k為勵磁電感與諧振電感的比值；m為副邊等效諧振電容與原邊諧振電容的比值。諧振頻率fr、特征阻抗Z與等效電阻的表達式為：

如式(6)所示，當與Q、k、m相關的元件參數確定后，電壓增益便是與開關頻率密切相關的因變量。為便于確定元件參數，在Matlab 中繪制不同參數下式(6)所示的電壓增益曲線，如圖11 所示。據此分析可確定諧振變換器的關鍵設計參數。本文選取電壓增益為1。

3 逆變模塊

逆變模塊的分析與整流模塊類似。拓撲選擇為單相全橋電壓型逆變電路，其結構如圖12 所示。

圖11 不同參數下的電壓增益曲線

圖12 單相全橋電壓型PWM逆變器拓撲

逆變模塊仍采用單極性倍頻SPWM 調制。為實現對輸出電流較好的控制并且對負載的擾動實現一定的抑制，控制策略擬采用具備負載電流前饋的雙閉環控制[15]。如前文所述，當采用PR 調節時，電壓或電流的跟蹤性能因無靜態誤差，相比PI 調節更為出色，故為獲得理想的目標波形，該逆變模塊采用電壓電流環的PR 控制。逆變模塊的控制策略框圖如圖13 所示。

圖13 逆變器控制策略框圖

4 仿真實驗

根據上述對各個模塊的分析及后續參數的計算，在Matlab/Simulink 中搭建的三級電源變換器單元模型如圖14所示，包含了單元拓撲結構及各模塊的控制策略框圖。主要參數及數值的選取如表1 所示。

圖14 三級電源變換器單元模型拓撲及控制框圖

表1 三級電源變換器仿真參數

考慮到開關器件的耐壓水平，該單元各模塊的電壓變換為：220 V AC～500 V DC、500 V DC～400 V DC、400 V DC～220 V AC。整流及逆變側的開關頻率設定在10 kHz，諧振變換器的開關頻率為額定130 kHz。逆變側負載電阻為9.66 Ω，傳輸功率5 kW 時的穩態仿真波形如圖15 所示。

圖15 穩態仿真波形圖

由圖15 可知，在阻性負載條件下，輸入及輸出側功率因數均大于0.99，近似單位功率因數。諧振變換器開關管實現了軟開關。上述仿真結果表明，該三級電源變換器單元的設計較為合理，這為后續設計雙向流動單元，級聯單元的高壓變換器及應用新材料器件進行樣機的研制提供了支持。

5 結束語

本文對多級電源變換器的特點及發展脈絡進行了介紹，而后提出了一種單相三級電源變換器單元中各個模塊的設計，包括拓撲結構的選擇、控制策略及調制方式等。整流和逆變模塊均采用PR 控制以改善系統性能，在整流直流側引入諧振電路以抑制二倍頻率的脈動。應用基波分析法對CLLC 諧振變換器進行了設計，控制策略為定頻率控制，實現了定頻率130 kHz 下開關器件的軟開關。仿真結果驗證了所設計的各模塊以及集成為單元的可行性，為后續進行功率雙向流動的研究，進行級聯單元以滿足不同應用需求的研究以及應用碳化硅器件進行樣機單元的研制提供了依據。