一种CLLLC谐振型双向DC-DC变换器效率优化技术研究.docx

? ? 一种CLLLC谐振型双向DC/DC变换器效率优化技术研究 ? ? 林梦宇，谢 岳，杨 辉，叶 飞 （1.中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州 310018；2.国网浙江省电力公司江山供电公司，浙江 衢州 324199；3.浙江天际互感器有限公司，浙江 衢州 324100） 0 引 言 直流配电网相比交流配电网更便于分布式电源及清洁能源发电装置的接入，因而更适应当今社会对电能的需求[1-4]。随着电力电子技术的发展，电力电子器件不断的高频化、集成化和模块化，隔离型双向DC/DC变换器具有电气隔离、功率密度大、能实现电压变换和电能双向流动的特点，在直流配电网的应用中有着无可替代的作用[5-8]。 DC/DC变换器输出电压的恒定有利于负载的稳定运行，一般通过变频控制和移相控制实现[9-12]。而变换器在设计时需要考虑减少损耗和提升电能的利用率。目前，CLLLC谐振型双向DC/DC变换器的效率优化方法主要是通过对参数的合理设计，实现原边开关管的ZVS和副边开关管体二极管的ZCS。例如通过分析CLLLC谐振式双向全桥DC/DC变换器拓扑原理和工作过程，设计变换器原边与副边谐振元件参数来实现变换器软开关特性，并采用输出电压反馈的闭环控制策略可优化变换器的动态性能[13]。根据CLLLC谐振网络输入阻抗、变换器输出功率、开关电流进行参数设计，能够保持零电压导通的工作，优化了变换器的效率[14]。目前的研究基本通过参数设计实现变换器软开关来提升效率，很少对变换器的效率进行定量的分析，并采用相应的控制方法来优化变换器效率。 本文提出一种基于间歇控制的变频恒压控制方法，在负载发生变化时通过改变原边逆变器的工作频率来维持输出电压的稳定，同时改变间歇控制的占空比，使得副边整流器的输入等效电阻始终维持在最优负载处，提升了变换器的传输效率。最后搭建变换器样机，实验结果验证了所提控制方法的可行性和有效性。 1 CLLLC谐振型双向DC/DC变换器原理 图1为CLLLC谐振型双向DC/DC变换器电路图。图中：Uin为变换器的输入直流电压；CH为变换器输入滤波电容；开关管S1～S4和各自的反并联二极管组成了原边逆变电路；uab和iR1为逆变电路的输出电压和电流；LR1，CR1和R1为分别原边谐振电感、谐振电容和线路电阻；TR为变比为n、励磁电感为Lm的高频变压器；LR2，CR2和R2分别为副边谐振电感、谐振电容和线路电阻；开关管S5～S8及各自的并联二极管连同电容CL组成了副边的整流电路；ucd和iR2为整流电路的输入电压和电流；Uo和Io分别为负载的电压和电流；RL为负载。由于结构对称，该DC/DC变换器的双向控制方法相同。 图1 CLLLC谐振型双向DC/DC变换器电路图 通过基波等效分析法得到如图2所示的变换器等效电路图。为简化分析，设变压器TR变比n为1；Uab，IR1，Ucd和IR2分别为变换器原边逆变器输出电压、输出电流、变换器副边整流器的输入电压和输入电流基波量；Req为整流器输入端口等效负载电阻。根据基尔霍夫电压定律可得： 图2 变换器基波等效电路图 式中：ω为工作角频率；X1=ω（L1+Lm）-1(ωC1)；X2=ω（L2+Lm）-1(ωC2)。根据式（1）解得原边电流IR1和副边电流IR2为： 式中： 根据式（1）和式（2）可得变换器电压增益Gv、交流输入功率Pin、交流输出功率Pout以及传输效率η分别为： 式 中：B=R1（R2+Req）+Xm2-X1X2；C=X1（R2+Req）+R1X2。由式（6）可得，存在使得变换器效率达到最大的最优等效负载Reqηmax： 2 间歇控制变频恒压方法 根据式（3）可知，可以通过对原边逆变器的变频控制改变电压增益Gv，从而实现输出的恒压控制。而当副边整流器的等效输入电阻为最优等效负载时变换器的传输效率最高，采用间歇控制保持该等效负载一直处于最优等效负载，可以提升变换器的传输效率。间歇控制方案如图3所示。 图3 间歇控制波形图 图中：T为变换器原边逆变器的工作周期，Tc为间歇控制周期；d为间歇控制占空比。此时变换器具有两种工作模式：模式I（0～dTc）时，功率开关管S1与S4，S2和S3交替导通，uab超前iR1，逆变器工作于软开关状态，此时电能从变换器的原边传输到副边，整流器对输出滤波电容CL充电，同时对负载供电，输出电压持续上升；模式Ⅱ（dTc～Tc）时，功率开关管S1～S4全部关断，原边逆变器不再工作，因此电能不再向副边传输，此时输出滤波电容CL放电，为负载提供电能，输出电压持续下降。 理想条件下副边整流器的输出功率等于其输入功率： 式中：Ucd为整流器输入电压基波有效值；Uo为变换器输出直流电压；d为间歇控制占空比。 因为整流器输入电压和输入电流同相，且正弦波具有正交性，故只