基于数字控制的三电平LLC谐振变换器设计_赵清林

第 46 卷 第 9 期 20 12 年 9 月 电力电子技 术 P ow er E leelr o nies V ol 4 6 N O 9 S ePt e 口 山 er 2 012 基于数字控制的三电平 LLC 谐振变换器设计 赵清林 刘兴 王燕芹 2 赵建 勇 l 燕山大学 电力电子节能与传动控制河北省重点实验室 河北 秦皇岛0 6 6以 2 中国建筑科学研究院 北京l 众 13 3 冀中能源股份有限公司东庞矿 河北邢台054 0 0 0 摘要 三 电平直流变换器可降低功率开关器件承受的电压应力 在高压输入场合可选择低压器件 有利于功率 器件的选择 三 电平 LLC 谐振变换器不仅能实现初级开关器件的zvs 还能实现输出整流二极管的 zCS 有利 于提高变换器效率 降低 电磁干扰 详细分析了三电平半桥 L L c 谐振变换器的工作原理 控制方式及主要参数 设计 采用数字控制完成了 so ow 样机实验 实验结果验证了理论分析的正确性及该变换器的高效性 关键词 变换器 三 电平 软开关 数字控制 中图分类号二 T M 46文献标识码 A文章编号 1 XX卜lo o X 20 12 0 9 一 0 0 21一 03 D es i g nO fT h r ee level L L C R e sonant C on v e电 r B as e d on D i g i 纽1 C ontrol ZHAO Qi ng一 l i n l l U Xi ng W ANG Yan一 qi nZ ZH AO Ji a n 一yon扩 1 K e y La bo f 八砌erE l ect r o ni c sf o E配哪 c o 以勿 n a n d M o t o rDr i彩 e o f H e b e i开阴 i n c Y Q n s ha nU n 诚r s i t r Q i n h l u z r 卿物 0 6 6 幻 4 c h in a A b str a ct T hr e e一 level D C D Ceo nve r t er ea nr e duee the vol ta g e st r ess of eachm a i ns衍t e h w hieh eanehoose lowvol t age st r e ss devi ees f o r h i g hvol t a g e i nput 即pli eat ions 50 i t 1 5 hel pf u l f o r ehoiei ng P o w er deviee T h r e e一 l evel LLC r e so n an tD C ID Ceon ver t er m ai n面 n s m er i t sas Z V Sf o r m ai nsw i tehes a n dZ C Sf o r r e et i f ier d i ode s toi m p r o ve t h eef f i eieney of t h e eonv er t er r e du ee E M I T hi s P aPer a n a l yses t h e t h r e e一 l evel h a l f br i d ge L L Cr e so nanee eon ver t er t h e oPer ati o n a lp r i ne i ple eo n加 1 m o d ea ndt h em a i ndesi 邵p eter sa r ed i se usse d t h es X Wpr o t o t y邵e x pe n m en t 15 eom pl eted based on di g i t a leont I O I t h e exper im e nta l r e sul ts dem onstrat e t h e eo二etness of t he t h eo叮 a n alysis and the high ef f i e i eney of t h is eonver t er K eyw ord s eonver t er thr e e一 level sof t sw i tehing digi t a le ont r ol 1引言 近年 来 随着 电力 电子装置的增 多和功率等 级 的不断加大 国内外相继制定 了一系 列限制用 电设备谐波污染 的标准 用 电设备输入端普遍采 用功 率因数校 正技术来消 除谐波 污染 三相功 率 因数校正变 换器被应 用于 中大功率 电源 场合 并将成为今后发展趋势 然而其输出电压一般 为 D C 7 60 so ov 甚至 更高 增大了后级直流变换器 开关管的 电压应力 普通 M O SFET 不能承受高压 而高压 M OSF E T 价格高且性能显著下降 三 电平直流变换器 能够将开关管 电压应力 降 为输入侧直流母线 电压 的一半 在 高压输入场合 能选 取低 压器件I 2 采 用移 相控 制技 术可 实现主 开关管 ZV S 但其滞后管在负载较轻时不易实现 定稿 日期 2012一 07 一 16 作 者 简 介 赵 清 林 1 9一 男 黑龙 江鹤 岗人 博 士 教 授 研 究方 向为逆 变器 并联控 制技 术 高频 磁链 逆 变 器拓 扑 和控制技 术等 zV S 整流二极管存在 反 向恢复 问题 存在输入 电 压 范围和转换效率 的矛盾 等缺点 址 C 谐 振 变 换 器 既 能 实 现 主 功 率 开 关 管 zV S 又 能实现整流二极管 zcs 提高变换器效率 降低 电磁干扰 高压端输入效率较高 适合 有断电 保持 时间要求 的场合 3 但其开关管电压应力为输 入电压 不适合高压输入场合 将 LLc 谐振技术应 用于三 电平直流变 换器 可在 高压输入条件 下选 用低压器件 实现 功率器件 的软开关 提高效率l 4 LLC 谐 振变换 器 大多采 用模 拟控 制方法 而 采用 数字控制 芯片可简化控 制 电路 的复 杂性 使 设计 更 加 灵 活 这 里 介 绍 了 基 于 数 字 控 制 器 dsPIC33F J 16G S50 4的三 电平 LLC 谐振变换器 的工 作原理 控制方式及主要参数设计 通过实验结果 证 明了理论分析 的正确性及该变换器 的高效性 2原 理与设 计 2 1工作原理分析 主 电路结构如图 1 所示 主要工作波形如 图 2 第 46 卷第 9 期 2012 年 9 月 电力电子技术 P Ow er E lect ronies V ol 46 N o 9 S ePtel n ber 2 0 12 所示 vs 与 vsZ同时开通 而为确保两只开关管 的 电压应力 相等 v sl要在 VS 关断之 前关断 这 样之 前流过 V S 的电流就 转移到箱位二极 管 V D S 中 v s 的 电压应力被 箱位在 姗 2 当 v s 关 断 V S 的电压应力即为 U i n 2 V S 和 V S3同理 故定 义 V S V S4 为超前 管 V SZ VS3为滞 后管 且 V SI 与 v S4 的驱动信号互补 v s 与 v S3 的驱动信号互 补 且 占空 比都为 50 通过改变开关管的开关 频率就可控制输出电压的大小 于于于于 二二二二二二二瓜 编编编编编编编编编编 C C C C C C C C C C C 乙 m m m m m一上 峥峥 I I I I I I I I I I I I I I I V D r l l l V V V V V V V V V V V V V V V D rZ Z Z 卜卜卜卜卜卜卜卜 图 1三电平 L L C 谐振 D C I D C 变换器 F i g 1 T hr e e 一 l evel 比 Cr e son ant D C D Ceonver t er 1 1 二二 V V V V V V V S l 1V S 勺 二井 二二二二二二 二二二二二二二二二二二 月月月月月 L L Lvs l 弃弃弃 两 一 出 一川川川 汕汕 月 l t 月月月月月月月月 V V V V V V V s 甲 v s 创创创VS 丙丙丙厂厂 晾布而百百 下下 1 卜卜 一一 沛沛沛沛 可可 月一一困 犷五万带带圈圈 1 11 一一一一 匀匀匀匀匀一一一一 毛二l l l l l 创创 必 i及 洲 沪 认 2 川川 l l l l l l l l l l l l l l l 训 ui n 2 2 2 丫 卯卯 u i n 2 凡 f f f f f f f f泪 少二公长洲 侧 砰砰 州 厂 偏 州 卜 二 材 犷 州州 t t t 牙呱二 沐 介呱 洲 燕 才霭从 图 2主要工 作波形 F ig 2 W avef o r ms of the eonver t er LL C谐振变换器 漏感 Lr 励磁 电感 L二 和 谐振 电容 C r 构成 LLC 谐振网络 当变换器 工作在重载 状态下时 由 Lr C r 和 负载构成 串联谐振回路 此 时谐振频率为 关 2二 勺 乞 刃 二 一 l 当变换器工作在空载状态下时 由 Lr L 和 C r 构成串联谐振 回路 此时谐振频率 为 f m 2二V Lr L C r 一 2 故该变换器在空载时的谐振频率要低 于带载 时的谐振频率 从本质上来说 LLC 谐振变换器就 是有两个谐振点 的串联谐振 电路 要使谐振腔呈 现感性状态 其输入的高频方波 电压频率必须高 22 于谐振频率 因此 开关频率人最小不能低于f m 址 C 谐振变换器根据关的不 同可分 为以下 3 种工 作状态 关抓 沃袱 关 从 f m 假定 电路工作在关抓 f m下 该变换器在一个 周期 内可细分 为 1 2个 工作状 态 因其 具有对 称 性 这里仅分析前 6 个开关状态 模 态 1 t 一 tl 在 t 时刻 V S v s 同时开通 谐振 电流 屯 以正 弦形 式上升 V D r l导通 变压器 次级被输 出电压箱位 励磁 电流 编 在输 出 电压 的 箱位作用下线性上 升 谐振 发生在 L 与 C r 之 间 次级 电流取 决于初级 屯与 喘 之差 模 态 2 t 一 t z 随着初级 屯谐振达到峰值且慢 慢减小 喝 线性上升 在 t 时刻两者相等 次级二 极管 电流减 小为零 VD r l零 电流关 断 此 时 L 不 再被输 出电压箱位 L Lr和 C r 一起谐振 因 L m Lr 谐振周期变得很大 此模态下 屯近似不变 模 态 3 t2一 t s V S 在 tZ 时刻 关断 谐 振 电流 对 VS 寄生电容 C l充 电 对 V S 寄生电容 q 放电 模 态 4 一 t 在 tJ 时刻 C 上 的 电压 上 升为 氏 2 V DS导通 从而 限制 了 a 继续 上升 同 时 下降为零且被箱位为零 C r 通过 V D VSZ和 谐振 网络续流 模 态 5 t 4 一 t s 时刻 v s 关断 屯 开始 对 几 充 电 并对 几 放电 由于 v s4 的反并联二极管 v D 4 导通 随着 几 上 电压 u 减小 吸 慢慢变为一 哪 2 变压器上产生 了反向电压偏置 使 V D 导通 L二 再 次被输出电压箱位而脱离谐振网络 模 态 6 t5一 t e 在 ts 时刻 c 2 上升 为 疏 2 同 时 u 下降为零 v D 导通 屯流经 v D 和 v D4 将 能量 回馈给输入侧 从而 为 V S3 V S4 的 ZVS 创造 了条件 在 t6时刻 v S3和 v S4开通 变换器进入后 半个工作周期 上面 6 个模态 的分 析是 在关 抓 f m的情 况下 开关管工作在 Zv S 状态 整 流二极管工作 在 zCS 状态 当关 抓 时 初级 电流 为完整的正弦波 次级 整流器的输 出电流 临界连 续 变换器导通损耗 最