雙向LLC諧振電路及其控制策略的研究

梁奇峰，莊武良

（中山火炬職業技術學院，廣東 中山 528436）

1 相關技術

1.1 LLC-BDC的狀態平面分析

1.1.1 工作原理

為了簡化分析，我們假設輸出電容足夠大，而且輸出的電壓能夠一直保持恒定。圖1為LLC-BDC變換器當時的穩態時域波形和相應的諧振運行模態。

圖1 LLC-BDC穩態時域波形

1.1.2 APWM

當傳統半橋LLC諧振變換器采用PFM時，轉換器通過提高工作頻率來降低電壓增益。但開關頻率太高，與此同時，在共振參數和質量條件下，對變換器和電器的要求也得到了提高。為了解決這個問題，APWM被用來在事件模式下增加電壓[2]。APWM意味著逆變器與橋的下方的關系不同，通過改變工作系數來調節逆變器電壓的增加。這種方法可以讓轉換器最大限度地提高開關頻率和下行工作周期的力量，從而擴大轉換器輸出電壓增益的調節范圍。

1.1.3 雙向LLC諧振型直流變壓器的工作原理

DCT輸入端是直流線路上的電源，輸出端是為負載供電或在并行直流網絡中移除電力系統。圖2顯示電流的方向，從開關的一邊到另一邊的能量傳輸被定義為一種狀態，從另一邊到另一邊的電力傳輸被定義為一種發電模式。當DCT在能量傳輸模式下運行時，加馭動信號，這樣能夠實現逆變功能，當不加馭動信號時，采用開關管反并聯的二極管進行整流，當直流變壓器在發電模式工作時，對應的加馭動信號則實現逆變，當不加馭動信號時則實現二極管整流，從而誘導磁化可以等同于循環的第二部分和工作時的結構。圖2所示的DCT可以解釋為在發電模式或發電模式下運行的雙向電力傳輸，簡單地傳輸LLC變換器而不附加電路，LLC共振轉換器的工作方法可以分為頻率和相位控制。

圖2 雙向LLC諧振型DCT結構

1.2 采用頻率調制的變頻控制

LLC諧振變換器在實現變頻控制時，它的主要工作波形如圖3所示，整個開關周期一共包括8個工作階段，其中早期和后期兩個工作階段的工作條件是相同的。為了說明工作細節，在圖3和圖4中增加死亡時間，與分析中忽略的過渡時期相比，死亡時間太短了。

圖3 變頻控制時的主要工作波形

圖4 雙向LLC變換器的基波等效模型

當k=10時，得到不同口值下的雙向LLC諧振變換器的增益曲線，如圖5所示。

圖5 變頻控制時的增益曲線

1.3 采用脈寬調制的移相控制

LLC諧振變換器使用基本的理論波來控制切變階段，過渡周期一共包括10個工作階段，其中第一個階段和最后一個階段的工作條件是相同的，開關頻率等于諧振頻率。

當采用移相控制時，諧振電流的諧波分量增多，傳統的基本分析方法會出現更多的誤差。通過給D賦值，可以確定M的數值解，使得k=10，就可以得到不同Q值下M到D的增益曲線，如圖6所示。

圖6 定頻控制時的增益曲線

由此可見，處于穩態運行狀態的L L C 諧振型DCT，當上述兩種控制方法實現交匯的時候，其開關頻率等于共振頻率，這形成了一個工作周期。該區域的最大電位是固定的，并且無論負載如何，該屬增益穩定為1且與負載無關。

2 LLC諧振電路控制策略

圖7是一個與PI的最佳軌跡混合的控制系統。當系統工作的時候，使用PI來補償輸出電壓，調節開關頻率。這個時候的軌跡控制規則是根據功率指令（充電電流值）計算出最佳變化和自由時間，并計算出最佳的開關管導通和關斷時間，從而保證系統良好的動態性能。

圖7 PI撮優軌跡控制控制框圖

為了使LCC變換器能夠取得最高的效率，在實際的工作中，會將控制區設置在靠近噪聲頻率點的地方[3]。根據負載越重，路徑半徑越大的規則，當負載從輕負載跳到重負載時，記錄最佳超前功率的 PI 。

諧振腔電流的有效值為

可變形為

2.1 雙向LLC諧振型DCT的軟啟動控制策略

LLC諧振變換器傳統的軟啟動方式采用降頻控制，即電器在開始時以最小開關頻率運行，然后降低到額定開關頻率。本文提出了一種移相控制的軟啟動控制策略——步進控制的易啟動控制策略，可消除起點電流。

2.2 雙向LLC諧振型DCT的換向控制策略

輸出端可接負載或是發電系統，它是一個恒定流導體，可以連接到加載或輸出系統。因此，在電容與負載之間或輸出系統之間來判斷功率流動的方向，從而確定DCT 的工作模式。電流i0為正時，DCT 工作在供電模式；電流i，從而定義DCT工作模式。當前啟用時，DCT 將在電力傳輸模式下運行；發生故障時，DCT 以發電模式運行。

3 仿真分析

為了進一步驗證雙向LLC諧振電路控制策略是否正確，本研究通過模擬軟件MATLAB進行仿真分析，表1顯示仿真結果的有效性。

表1 系統仿真模型參數

在0.08 s時，負載從輕載到重載跳變，諧振電流在開通時為負，開眾所周知，通過整容二極管運行的ZVS與整流器中的ZCS之間有間隙，顯著減少了整流管的動態損失。圖8是負載跳躍時釋放電壓的波動變體，有負載時最佳電壓減少到1.2 V，最佳功率輸出時間減少到0.6 ms，工作時間減少到1.8 m，修正時間減少到8 m。

圖8 負載跳變時的輸出電壓波形

通過對變換器的比較分析可以得到：使用LC轉換器、LC-DC具有最佳組合功率，識別運輸和二極管中的ZCS，減少系統的能源消耗；當開關頻率上升到71 kHz時，它就能工作。

4 結束語

綜上所述，L C、L C-BD C有效實現了輸入側開關管的零電壓開通和輸出鋇整流管的零電流關斷，提高了系統的運行效率；開關管的開關頻率大幅提高，能有效提升設備功率密度；具有良好的動態性能，適用于儲能裝置與微網柔性并網系統中的母線聯接；同時相對于最優軌跡控制，降低了計算難度。■