一種具有自限流功能的LLC諧振變流器拓撲

一、引言

在發(fā)電廠(chǎng)和變電站中，供給二次回路的直流電源稱(chēng)為電力操作電源。電力操作電源主要用于向控制、保護、信號、自動(dòng)裝置回路以及操動(dòng)機械和調節機械的傳動(dòng)機構供電，同時(shí)還作為獨立的事故照明電源。目前發(fā)電廠(chǎng)和變電站普遍應用的操作電源是硅整流型操作電源（又稱(chēng)相控式操作電源），它采用硅整流型充電裝置對蓄電池充電，由蓄電池向二次回路提供不間斷的直流電源。但這種電源存在許多缺陷，如充電裝置效率差、穩壓穩流精度低、紋波大、電池保持容量低、壽命短等。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，傳統的硅整流型電源正在逐漸被高頻開(kāi)關(guān)電源取代。高頻開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、電氣性能好等許多優(yōu)點(diǎn)。此外，由于高頻開(kāi)關(guān)電源采用模塊化結構和n+1備份方式，使電源裝置的可靠性得到大大提高。

在高頻開(kāi)關(guān)電源的拓撲選擇上，近年來(lái)，LLC諧振變流器的拓撲受到越來(lái)越多的關(guān)注。LLC諧振變流器的拓撲本身具有一些優(yōu)越的性能，例如可以實(shí)現原邊開(kāi)關(guān)管在全負載下的零電壓軟開(kāi)關(guān)（ZVS），副邊整流二極管電壓應力低，因此高輸出電壓應用情況下可以實(shí)現較高的效率等。這些優(yōu)點(diǎn)使得LLC諧振變流器特別適合高輸出電壓的應用場(chǎng)合，如電力操作電源等。

但是LLC諧振變流器的拓撲在應用中還存在一些實(shí)際問(wèn)題，其中一個(gè)主要問(wèn)題是當出現電路啟動(dòng)、負載過(guò)流或短路情況時(shí)如何限制電路中的電流以防止電路損壞。針對這個(gè)問(wèn)題，已有若干種解決方案，如直接屏蔽控制芯片驅動(dòng)信號、直接升頻控制、升頻控制結合脈寬調制（PWM）控制和加鉗位二極管的變結構LLC拓撲等。但以上方法都存在各自的缺點(diǎn)，如直接升頻控制會(huì )導致開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高、開(kāi)關(guān)關(guān)斷損耗增大；升頻控制結合PWM會(huì )導致開(kāi)關(guān)管失去軟開(kāi)關(guān)條件；加鉗位二極管的變結構LLC拓撲的限流閥值受輸入電壓影響較大，在高端輸入電壓下限流效果差。為此，本文提出一種新型的具有自限流的LLC諧振變流器拓撲。

二、理論分析

如圖1所示，本文提出的LLC拓撲電路主要結構與傳統的LLC諧振變流器相同，只增加了一個(gè)小功率變壓器T2以及2個(gè)二極管D3和D4。具體工作原理簡(jiǎn)單描述如下：正常工作下，輔助電路不起作用，電路工作與傳統的LLC諧振電路相同。當過(guò)流或短路情況出現時(shí)，諧振電容兩端電壓升高。當該電壓上升到折算到變壓器T2副邊超過(guò)輸出電壓時(shí)，二極管D3和D4交替導通，諧振電容電壓被鉗位，從而諧振電流也被鉗位，此時(shí)諧振電容等效成一個(gè)電壓源。由于本文提出的拓撲對諧振電容鉗位的電壓源是輸出電壓源，其幅值不會(huì )隨輸人電壓變化而改變，因此負載限流閾值受輸人電壓變化影響相對較小。此外，如果在控制上引入限流環(huán)，在過(guò)流的情況下限流環(huán)起作用使輸出電壓降低，從而可以進(jìn)一步限制電流上升。因此，本文提出的LLC諧振變流器具有更好的限流性能。而且通過(guò)優(yōu)化設計諧振電路參數，限流閾值變化窗口可以進(jìn)一步得到優(yōu)化。下文將分析如何優(yōu)化選擇諧振電路參數。

在LLC諧振變流器中，正常工作頻率范圍主要與Lm和Lr的比值有關(guān)，表示如下：

式中：Lm 是主變壓器的激磁電感量；Lr是諧振電感量； f r是諧振頻率，從電路優(yōu)化工作的角度考慮通常會(huì )選擇額定工作情況下（輸入電壓高端，滿(mǎn)載）的電路工作頻率為諧振頻率fr；fmin是電路的最低工作頻率，出現在最低輸入電壓處。

根據式（1），可以得到開(kāi)關(guān)頻率變化范圍與Lm/Lr的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示?？梢钥闯鯨m /LI的比值越小，工作頻率變化范圍越窄。


另一方面，由于限流是通過(guò)對諧振電容的電壓進(jìn)行鉗位實(shí)現的，因此限流閾值變化窗口與諧振電容的電壓變化相關(guān)。為了得到較好的限流效果，要求諧振電容電壓變化范圍越窄越好。易推出諧振電容電壓變化范圍與變流器的工作頻率相關(guān)：

式中：n是主變壓器原副邊匝比；Vcmax是諧振電容兩端電壓峰值的最大值，出現在最低輸入電壓時(shí)；Vcmin是諧振電容兩端電壓峰值的最小值，出現在最高輸人電壓時(shí)。

根據式（2），可以得到諧振電容電壓與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。

由圖3可知9 Vcmax /Vcmin隨fmin/，fr增大而減小。結合圖2可以發(fā)現，如果Lm /Lr越小，則電路正常工作頻率變化范圍越窄，諧振電容Cr上電壓變化也越小，從而可以得到較窄的限流閾值變化窗口。

本文提出的LLC諧振變流器另一個(gè)較突出的優(yōu)點(diǎn)體現在當短路情況發(fā)生時(shí)其固有的限流特性，特別是當在控制上結合變頻方法時(shí)。當短路情況發(fā)生時(shí)，輔助變壓器T2副邊被短路，得到本文提出的LLC諧振變流器的等效電路見(jiàn)圖4。為便于比較，得到傳統的LLC諧振變流器在短路情況下的等效電路如圖5所示?？梢钥闯銮罢叩牡刃Щ芈纷杩篂閱尾穫€(gè)電感，而后者是電感和電容組成的諧振單元。計算可知，當頻率高于諧振頻率時(shí)前者的等效回路阻抗遠大于后者，因此短路電流也遠小于后者。


三、計算與仿真分析

對一個(gè)輸出為110 V/10 A的電力操作電源應用實(shí)例進(jìn)行計算分析，其中電路指標如下：輸入電壓300V～400 V；輸出電壓110 V；輸出電流10 A；正常工作頻率150 kHz-200 kHz。

根據上文的分析，優(yōu)化設計諧振參數過(guò)程如下：

1．設定諧振電容電壓峰值為260 V，可以計算出諧振電容約為44 nF；
2．根據諧振電容值以及諧振頻率，可以計算出諧振電感約為13.5μH；
3．根據正常工作開(kāi)關(guān)頻率范圍由圖2查到Lm/Lr 為3.393，從而計算出變壓器激磁電感約為54μH。

電路中的其他參數設計過(guò)程與傳統LLC諧振變流器類(lèi)似，可以參考文獻，這里不再詳述。計算出的主要參數以及根據計算的參數選定的主要半導體器件型號如下：變壓器匝比為9：5：5；變壓器磁心為EE42C；變壓器激磁電感Lm為54μH；諧振電感磁心為RM10；諧振電感Lr為13.5μH；諧振電容Cr為44 nF；輔助變壓器匝比為14：5：5；輔助變壓器磁心為RM10；D3，D4為MBR2030PT；原邊開(kāi)關(guān)管為IRFP22N50；D1，D2為MBR3030PT。

圖6是計算的短路情況下的平均輸出電流與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖中可以看出，假設平均輸出龜流限制在12.5 A，傳統的LLC諧振變流器工作頻率需要增加到385 kHz，而本文提出的LLC諧振變流器只需要增加到265 kHz，這意味著(zhù)電路最大的開(kāi)關(guān)頻率得到了大幅降低。


本文提出的LLC諧振變流器在額定輸入電壓（400 V）下短路時(shí)的saber仿真波形如圖7所示。從圖中可以看出，當開(kāi)關(guān)頻率在265 kHz時(shí)平均輸出電流約為11.92 A。計算與仿真之間的差異主要是由于仿真時(shí)多考慮了線(xiàn)路上的一些寄生參數。


四、實(shí)驗結果

根據上述的理論計算和仿真分析，制造了一臺輸出為110 V/10 A電力操作電源樣機，用來(lái)驗證本文提出的LLC諧振變流器的性能，電路指標、主要參數與主要元器件選擇與計算、和仿真時(shí)的參數相同。

測量出正常工作模式下的主要波形如：圖8～圖11所示。圖8和圖9分別是300 V輸人電壓情況下正常工作時(shí)測量的諧振電容電壓波形和原邊的電流波形。


圖10和圖11分別是400 V輸人情況下正常工作時(shí)測量到的諧振電容電壓波形和原邊的電流波形。根據波形可以看出，Vcmax/Vcmin約為1.67，而f min/ f max約為0.75，與圖2和圖3所計算出的曲線(xiàn)值基本一致。


圖12所示是400 V輸人時(shí)短路情況下測得的諧振電容兩端的電壓波形和原邊電流波形。將原邊電流折算到副邊計算出輸出平均電流約為12 A，與理論計算及仿真結果基本符合。


表1所示是測量的效率，可以看出，盡管對電路參數的優(yōu)化主要是針對限流保護進(jìn)行考慮的，仍可以獲得很高的效率。

五、結語(yǔ)

本文提出和研究了一種新型的具有自限流功能的LLC諧振變流器拓撲，其良好的自限流功能使得即使在短路情況發(fā)生時(shí)也能有效地限制電路電流，防止電路元器件損壞。結合LLC諧振變流器自身適用于高輸出電壓的優(yōu)點(diǎn)，該拓撲尤其適用于電力操作電源等工業(yè)應用場(chǎng)合。本文對電路參數的優(yōu)化選擇進(jìn)行了詳細的理論分析，為優(yōu)化變流器限流性能提供了理論依據。