分?jǐn)?shù)階移相全橋變換器的動態(tài)混合補(bǔ)償器設(shè)計

李 倩,楊 麗,陳新帥,劉玉芝

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司營銷服務(wù)中心,河北 石家莊 050035;2.石家莊鐵道大學(xué),河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著電動汽車充電、光伏電站和通信基站等領(lǐng)域電力需求的不斷增加,能源轉(zhuǎn)換技術(shù)迎來了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。移相全橋變換器作為一種重要的能量轉(zhuǎn)換電路,得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電力需求的增加,對高輸出功率移相全橋變換器的需求也日益迫切。

在滿足不斷增長的電力需求方面,基于第三代半導(dǎo)體材料的客戶側(cè)感知設(shè)備電源電路模塊研制成為當(dāng)今的熱點(diǎn)領(lǐng)域。第三代半導(dǎo)體材料,如碳化硅(SiC)和氮化鎵(Ga N),具有更高的電子遷移率和能帶寬度,使得它們在高功率、高頻率和高溫環(huán)境下表現(xiàn)出色。通過采用第三代半導(dǎo)體材料,設(shè)計出的電源電路模塊效率更高、尺寸更小以及性能更可靠,以滿足不斷增長的能源轉(zhuǎn)換需求。

與傳統(tǒng)的重新設(shè)計更大功率模塊或單個更大變換器的方法相比,采用現(xiàn)有的功率模塊通過串、并聯(lián)輸出的方式來提升功率水平,不僅具備較低的成本,還有助于降低碳排放,從而實(shí)現(xiàn)了環(huán)保目標(biāo)。電源模塊的連接方式主要有4 種[1]:輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)(ISOS),輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(ISOP),輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(IPOS)和輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)(IPOP)。串聯(lián)可減小各電源模塊上的電壓負(fù)荷[2],并聯(lián)可增大功率等級[3],每種連接類型都有自己的應(yīng)用情況和特點(diǎn)。

IPOP連接可以將總功率分配到不同的電源模塊上,從而減小各模塊上的電流應(yīng)力。因此,磁路元件(變壓器和電感器)的尺寸可以減小[4]。此外,IPOP可以改善熱分布,提高系統(tǒng)可靠性。在多相電源變換器系統(tǒng)中,每一相都被設(shè)計成相同的。在現(xiàn)實(shí)中,制造差異、環(huán)境變化等因素通常會導(dǎo)致輸出電流不一致[5]。在模塊中,電路元件制造差異的存在會造成功率不平衡,從而導(dǎo)致熱應(yīng)力不平衡,電感飽和性能降低,在嚴(yán)重的情況下,組件的差異可能會導(dǎo)致一些模塊的功率負(fù)擔(dān)過大,而另一些模塊的輸出功率較小。

移相全橋(Phase-Shifted Full-Bridge,PSFB)變換器具有控制簡單、電壓調(diào)節(jié)范圍寬、輸出功率大等特點(diǎn)。為了滿足不同應(yīng)用的需要,對多相移相全橋變換器進(jìn)行了研究。在文獻(xiàn)[6]中提出了一種新的輸出濾波電容連接方法,并應(yīng)用于IPOS-PSFB變換器實(shí)現(xiàn)輸出電壓平衡。在文獻(xiàn)[7]中提出了一種新的電路,利用ISOP-PSFB 中的阻塞電容和混合整流二極管來實(shí)現(xiàn)一次側(cè)開關(guān)的零電壓和零電流開關(guān)。同時,該電路也減小了輸出電流的不平衡,通用占空比控制也適用于ISOP-PSFB,所有相由相同的占空比控制。

實(shí)現(xiàn)電流共享的方式主要有兩種:一種是通過控制算法,另一種是通過改變電路結(jié)構(gòu)。在控制算法中,共占空比控制是最常用的電流共享控制算法之一,它分別應(yīng)用于正激變換器和雙有源橋式(DAB)變換器中,以改善電流不平衡。但是,當(dāng)IPOP-PSFB變換器的變比差較大時,輸出電流共享誤差仍然較大。在文獻(xiàn)[8]中提出了一種無電流傳感器參數(shù)估計和電流均衡控制策略,該策略考慮了變壓器變比差對IPOP-DAB變換器電流共享誤差的影響,同時,它也是造成并聯(lián)PSFB 變換器電流不平衡的主要原因。然而,關(guān)于分?jǐn)?shù)階IPOP-PSFB變換器的文獻(xiàn)還不夠全面。

因此,本文研究發(fā)現(xiàn)電路元件參數(shù)對電流共享控制誤差有不同的影響,其中變壓器變比差對輸出功率不平衡的影響最大。為了緩解電流不平衡,提出了一種動態(tài)混合補(bǔ)償器(DHC)來實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)階IPOP-PSFB 變換器的電流共享控制。補(bǔ)償器通過補(bǔ)償從模塊的移相占空比來減小電流共享控制的誤差。所提出的方法能夠?qū)崟r控制共流控制的誤差,并且在各相電路元件相差高達(dá)20%的情況下仍能保持良好的電流平衡性能。

1 并聯(lián)分?jǐn)?shù)階移相全橋變換器分析

電路元件的差異會導(dǎo)致負(fù)載電流嚴(yán)重不平衡[9],影響多相分?jǐn)?shù)階移相全橋變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的性能。

1.1 兩相并聯(lián)分?jǐn)?shù)階移相全橋變換器

圖1為IPOP的兩相分?jǐn)?shù)階移相全橋變換器電路圖。圖中,Q1,1、Q1,2、Q1,3、Q1,4和Q2,1、Q2,2、Q2,3、Q2,4分別為第1相和第2相的主開關(guān)管(功率開關(guān)器件);S1,1、S1,2、S1,3、S1,4和S2,1、S2,2、S2,3、S2,4分別為第1相和第2相二次側(cè)的整流二極管;分別為第1相的一次諧振電感、二次濾波電感分別為第2 相的一次諧振電感、二次濾波電感;n1和n2分別為第1相和第2相的二次側(cè)匝數(shù)與一次側(cè)匝數(shù)之比;Vin為直流輸入電壓;I01、I02分別為兩相負(fù)載電流;I0為總負(fù)載電流;R為總負(fù)載電阻;V0是直流輸出電壓。

圖1 兩相并聯(lián)分?jǐn)?shù)階移相全橋變換器電路

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中,部件的制造差異不超過±10%被認(rèn)為是合格的[10]。因此,假設(shè)兩相對應(yīng)的電路元件之差為20%,相反的差分方向(L r1=1.2L r2或L r2=1.2L r1)導(dǎo)致電流共享誤差相同,但電流分布相反,參數(shù)a、b、c表示兩相的電路參數(shù)不同。兩相的電路參數(shù)值可定義為

式中:L為第1相的一次諧振電感;n為第1相的二次側(cè)匝數(shù)與一次側(cè)匝數(shù)之比。

P為總輸出功率,R可以表示為

P01和P02分別為兩相產(chǎn)生的功率,P01、P02與P之間的關(guān)系為

各相的等效負(fù)載電阻R01和R02可表示為

定義k為第1相產(chǎn)生的負(fù)載功率之比,則P01和P02可表示為

聯(lián)立公式(3)—(5)

當(dāng)k≤0時,第2相提供全部功率,第1相的等效負(fù)載電阻R01變?yōu)闊o窮大;當(dāng)0＜k＜1時,第1相和第2相分別提供部分功率;當(dāng)k≥1時,第1相提供全部功率,第2相的等效負(fù)載電阻R02變?yōu)闊o窮大。

定義當(dāng)前電流共享誤差σload來評估當(dāng)前各相的共享能力

當(dāng)σload=0 時,表示每個模塊的輸出電流相同,且每個模塊提供總功率的一半,在這種情況下,所有模塊均平均分擔(dān)負(fù)載電流,實(shí)現(xiàn)功率的均衡輸出;而當(dāng)σload=1時,表示只有其中1個模塊承擔(dān)整個負(fù)載電流,其他模塊不提供輸出電流,在這種情況下,系統(tǒng)的負(fù)載僅由其中1個模塊獨(dú)自供電,其余模塊處于空閑狀態(tài)。

采用共占空比控制時,兩相分?jǐn)?shù)階PSFB 增益可計算為

由于兩個電源模塊以IPOP的方式連接,所以在穩(wěn)態(tài)時電壓增益是相同的,兩相之間的關(guān)系為

結(jié)合公式(6)—(9),可計算出k。

為了分析電流共享控制性能,設(shè)計了一組分?jǐn)?shù)階PSFB變換器參數(shù)值,如表1所示。當(dāng)P0=600 W,R=3.84Ω;P0=1 200 W,R=1.92Ω。

參數(shù)參數(shù)值___________額定輸入電壓V in/V 400諧振電感L r/μh 43濾波電感L/μh 7 000變壓器變比1/n 10∶2額定輸出電壓V 0/V 48輸出功率P 0/W 1 200______開關(guān)頻率f s/_________________________________________k Hz 100

1.2 電路元件差異與k 之間的關(guān)系

1.2.1 諧振電感差異與k 之間的關(guān)系

假設(shè)除諧振電感外,兩相的其他電路元件參數(shù)相同,即b=1,c=1時,考慮a與k之間的關(guān)系,式(10)可計算為

式(11)可簡化為

圖2為不同輸出電阻下a與k的關(guān)系。

圖2 不同輸出電阻下a 與k 的關(guān)系

從圖2中可以看出,隨著a的增大,k的值也呈現(xiàn)上升趨勢。然而,k的值隨R的變化非常微小,幾乎可以忽略不計。特別是在最壞情況下,即當(dāng)a=1.2,R=3.84Ω 時,k=0.545,此時的負(fù)載電流共享誤差σload為9%。

1.2.2 濾波電感差異與k 之間的關(guān)系

假設(shè)除濾波電感外,兩相的其他電路元件參數(shù)相同,即a=1,c=1時,考慮b與k之間的關(guān)系,式(10)可計算為

式(13)可簡化為

圖3為不同輸出電阻下b與k的關(guān)系。從圖中可以看出,k的值與b成正比關(guān)系,隨著輸出功率的減小,k的值會增大。然而,在最壞情況下,即當(dāng)b=1.2,R=3.84Ω 時,k=0.500 004 6。此時的負(fù)載電流共享誤差σload僅為0.000 91%。與其他電路參數(shù)引起的電流共享誤差相比,由濾波電感差異引起的誤差非常小,幾乎可以忽略不計。因此,在后續(xù)的分析中,可以忽略濾波電感差異對系統(tǒng)的影響,即將b的值設(shè)為1,可以簡化計算,并且不會對結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。

圖3 不同輸出電阻下b 與k 的關(guān)系

1.2.3 變壓器變比差異與k 之間的關(guān)系

假設(shè)除高頻變壓器變比外,兩相的其他電路元件參數(shù)相同,即a=1,b=1時,考慮c與k之間的關(guān)系,式(10)可計算為

式(15)可簡化為

圖4為不同輸出電阻下c與k的關(guān)系。從圖中可以看出,當(dāng)高頻變壓器變比差正向誤差增大時,第一相供電功率減小,隨著總輸出功率的減小,負(fù)載電流的不平衡問題會變得越來越嚴(yán)重。在最壞情況下,即當(dāng)c=1.2,R=3.84Ω 時,k=0.122 6。此時的第一相僅提供總輸出功率的12.26%。相應(yīng)地,負(fù)載電流共享誤差σload=75.84%,這意味著在此情況下,變換器的輸出電流非常不平衡,整個系統(tǒng)的負(fù)載電流分配非常不均勻。

圖4 不同輸出電阻下c 與k 的關(guān)系

2 動態(tài)混合補(bǔ)償器設(shè)計

由以上分析可知,濾波電感差異對電流共享誤差的影響很小,基本上可以忽略不計,而變壓器變比差是主要的影響因素。將第1相定義為主模塊,第2相定義為從模塊。引入移相占空比補(bǔ)償d,則主模塊移相占空比D1與從模塊移相占空比D2的關(guān)系為

式(8)變?yōu)?/p>

當(dāng)k=0.5時,每相提供總功率的一半。當(dāng)b=1,k=0.5時,式(10)可表示為

式(19)可簡化為

因此,d的表達(dá)式為

其中δ=。圖5 為不同輸出電阻下移相占空比補(bǔ)償d的解。

圖5 不同輸出電阻下移相占空比補(bǔ)償d 的解

在分?jǐn)?shù)階PSFB 變換器中,濾波電感一般在μH 級,開關(guān)頻率可以達(dá)到50 k Hz或更高。這導(dǎo)致因子變得非常小,可以忽略不計。化簡后,d的表達(dá)式為

圖6為不同輸出電阻下化簡后d的解。圖7顯示了d在不同輸出電阻下的誤差。當(dāng)a=1.2,c=1.2,R=3.84Ω 時,最大誤差為0.000 2,故d可由式(22)計算。

圖6 不同輸出電阻下化簡后d 的解

圖7 d 在不同輸出電阻下的誤差

基于式(22),設(shè)計了一種動態(tài)混合補(bǔ)償器(DHC),用于并聯(lián)分?jǐn)?shù)階PSFB的電流共享控制,系統(tǒng)框圖如圖8所示。因子a、c、δ為系統(tǒng)需要提前計算的參數(shù),在補(bǔ)償器中進(jìn)行預(yù)置,它們是已知參數(shù),不會隨著系統(tǒng)運(yùn)行而改變。控制過程中唯一未知的因素是總輸出電阻R,它可以通過輸出電壓V0和I01、I02兩相的電流來計算。主模塊負(fù)責(zé)維持輸出電壓,結(jié)合主模塊的移相占空比D1和計算的移相占空比補(bǔ)償d,從模塊可以調(diào)整自己的移相占空比D2,實(shí)時實(shí)現(xiàn)兩相電流共享控制。在DHC中采用PI控制器,進(jìn)一步減少電流共享控制誤差。

圖8 動態(tài)混合補(bǔ)償器

3 仿真分析

使用MATLAB/Simulink仿真平臺對電路元件差異的影響進(jìn)行分析,進(jìn)行無電流共享控制和具有動態(tài)混合補(bǔ)償器(DHC)控制的并聯(lián)分?jǐn)?shù)階PSFB變換器仿真實(shí)驗,旨在比較和驗證電流共享控制的性能,仿真模型包括分?jǐn)?shù)階電路部分和控制器部分,其結(jié)構(gòu)如圖9、圖10所示。在仿真實(shí)驗中,模擬不同的電路元件差異情況,觀察其對系統(tǒng)性能的影響,通過調(diào)整電路元件參數(shù),如漏感和變壓器變比,模擬元件差異對系統(tǒng)輸出的影響,特別是對電流共享控制的誤差。通過這些仿真實(shí)驗,可以深入理解電路元件差異對系統(tǒng)的影響,并驗證提出的動態(tài)混合補(bǔ)償器方法在減小電流共享誤差方面的有效性,為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和控制策略提供參考和指導(dǎo)。

3.1 諧振電感(漏電感)差異的影響

圖11為最大漏電感差(a=1.2)時輸出電流I0的仿真結(jié)果。表2給出了各相負(fù)載電流和總負(fù)載電流。通過仿真結(jié)果可以觀察到,在不同輸出功率下,輸出電流共享誤差σload與計算結(jié)果基本吻合,不同輸出功率下電流共享誤差的結(jié)果差異不顯著;σload的誤差在9.5%左右。

P0/W I0/A I01/A I02/A ΔI0/A K1K2 σload/%600 12.5 6.854 5.646 1.208 0.548 0.452 9.664 1200 25.0 13.690 11.320 2.370 0.547 0.453 9.480

采用提出的DHC電流共享控制后的仿真結(jié)果如圖12和表3所示。根據(jù)仿真結(jié)果和不同輸出功率下的數(shù)據(jù)比較,使用DHC后的電流共享誤差小于僅使用計算控制后的誤差,誤差均小于0.2%。

P0/W I0/A I01/A I02/A ΔI0/A K1K2 σload/%600 12.5 6.263 6.237 0.026 0.501 0.499 0.20 1200 25.0 12.510 12.490 0.020 0.500 0.500 0.08

3.2 濾波電感差異的影響

圖13和表4給出了濾波電感最大差值(b=1.2)時輸出電流I0的仿真數(shù)據(jù)。根據(jù)仿真結(jié)果和不同輸出功率的數(shù)據(jù)比較,最大電流分擔(dān)誤差σload=0.08%。與其他參數(shù)相比,由濾波電感差異引起的電流不平衡可以忽略不計。

P 0/W I 0/A I 01/A I 02/A ΔI 0/A__K 1_______K 2 σload/%600 12.5 6.248 6.252 0.004 0.5 0.5 0.032 1 200__25.0 12.490 12.510__0.020___0.5____0__________.5_0.080

采用本文提出的DHC 電流共享控制后的仿真結(jié)果如圖14和表5所示。根據(jù)仿真結(jié)果和不同輸出功率的數(shù)據(jù)比較,使用DHC后的電流共享誤差小于僅使用計算控制后的誤差,誤差均小于0.08%。

P 0/W I 0/A I 01/A I 02/A ΔI 0/A__K 1_______K 2_______________σload/%600 12.5 6.262 6.259 0.003 0.501 0.499 0.024 1 200__25.0 12.490 12.510__0.020__0.500__0.500_________0.080

3.3 高頻變壓器變比差異的影響

圖15為變壓器變比最大差值(c=1.2)時I0無電流共享控制仿真結(jié)果。表6給出了當(dāng)c=1.2時,無共流控制時不同輸出功率的數(shù)據(jù)對比。可知變壓器變比差是造成輸出電流不平衡的最重要因素,在R0=3.84Ω、P0=600 W 的最壞情況下,負(fù)載電流分擔(dān)誤差σload達(dá)到75.168%。當(dāng)k1=0.124時,第1相僅輸出總功率的12.4%,第2相提供總功率的87.6%。第2相的二次二極管受到更大的電流應(yīng)力。

P 0/W I 0/A I 01/A I 02/A ΔI 0/A__K 1_______K 2_______________σload/%600 12.5 1.554 10.95 9.396 0.124 0.876 75.168 1 200__25.0__8.345__16.66__8.315__0.334__0.666________33.260

采用DHC共流控制后,c=1.2的仿真結(jié)果如圖16和表7所示,并聯(lián)分?jǐn)?shù)階移相全橋變換器系統(tǒng)的負(fù)荷比不使用電流共享控制時的電流共享誤差小。在輸出功率為一半(R=3.84 Ω,P=600 W)的情況下,電流誤差ΔI0=0.1 A,每相提供的功率幾乎占總輸出功率的一半。

P 0/W I 0/A I 01/A I 02/A ΔI 0/A__K 1_______K 2_______________σload/%600 12.5 6.30 6.20 0.1 0.504 0.496 0.8 1 200__25.0 12.55__12.45___0.1___0.502__0___________.498_0.4

4 結(jié)論

分?jǐn)?shù)階IPOP-PSFB 轉(zhuǎn)換器由多個分?jǐn)?shù)階PSFB模塊在輸入和輸出處并聯(lián)組成,可以擴(kuò)展分?jǐn)?shù)階轉(zhuǎn)換器的輸出功率水平。然而,由于電路元件的差異,導(dǎo)致各模塊之間的輸出電流存在差異。在分析電路元件對電流共享控制性能的影響時,發(fā)現(xiàn)漏感差異和高頻變壓器變比差異是導(dǎo)致電流共享控制誤差的主要因素,這些差異會導(dǎo)致各模塊的輸出電流不平衡。為解決這個問題,提出了一種動態(tài)混合補(bǔ)償器,并與PI控制器結(jié)合使用,實(shí)現(xiàn)電流共享控制的輸出平衡。通過仿真分析,發(fā)現(xiàn)這種策略可以顯著降低電流共享誤差,即使在電路元件差異高達(dá)20%的情況下仍然有效,在半載和滿載情況下,所提出的動態(tài)混合補(bǔ)償器控制可以將電流共享誤差顯著降低。

綜上所述,通過使用動態(tài)混合補(bǔ)償器控制,可以有效解決分?jǐn)?shù)階IPOP-PSFB 系統(tǒng)中的電流共享誤差問題,并實(shí)現(xiàn)輸出電流的均衡共享。特別是在電路元件存在差異的情況下,對于提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性具有重要意義。在未來研究中,還應(yīng)將智能優(yōu)化算法運(yùn)用到控制器的參數(shù)整定中,通過智能算法對參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,以獲得系統(tǒng)最優(yōu)的控制性能。