宽范围输入LLC谐振变换器及其应用

• 作 者: 范先焱
• 出 处: 西南交通大学
• 发表日期: 2021年07期
• 关键词: LLC谐振变换器 变频控制 移相控制 状态轨迹模型 混合控制 最大功率点跟踪 阻抗匹配

近年来,开关电源不断向高效率、高功率密度的方向发展。提高功率密度的有效措施是提高变换器的开关频率,随着开关频率的提高,磁性元件的体积不断减小。然而,开关频率的提高又会导致开关损耗的增加,不利于提高变换器的效率。LLC谐振变换器通过变频控制,能实现原边开关管的零电压导通(zero voltage switch,ZVS),同时副边二极管也能实现零电流关断(zero current switch,ZCS)。LLC谐振变换器的所有开关管实现软开关能够减小开关损耗,提高变换器的效率,被国内外学者广泛关注。但是,传统变频控制LLC变换器的增益随频率的变化范围较窄,在宽范围输入电压的应用场合并不适用。因此,研究具有宽范围输入的LLC变换器具有重要意义。首先,详细分析了变频控制LLC变换器和移相控制LLC变换器的增益特性,研究了不同参数(品质因数Q和电感比λ)对变换器增益范围的影响。针对变频控制LLC变换器输入电压范围窄的问题,本文提出了三段式混合控制策略来拓宽LLC变换器的电压输入范围。根据输入电压范围的不同,变换器采用分段式的控制方式,实现了变换器的高效率、宽范围输入。分别推导了移相控制和变频-移相混合控制的电压增益特性,详细分析了变频控制和移相控制LLC变换器的增益变化规律,得到了三段式混合控制策略的模式切换点,并通过实验结果验证了理论分析的正确性。其次,针对传统变频控制LLC变换器输入电压范围窄的问题,本文提出将传统LLC变换器副边整流桥底部二极管换成开关管的改进型LLC变换器,以适应宽范围输入电压的特性。以该改进型LLC变换器为研究对象,详细分析了变换器的工作原理,并结合原边移相控制和副边移相控制的混合控制策略,运用状态轨迹模型分别推导了Boost模式和Buck模式下变换器的增益特性以及软开关特性。基于工程实际应用,给出了混合控制改进型LLC变换器的参数设计过程。根据研究结果可知:该改进型的LLC变换器能够实现较宽范围的电压输入,并且具有较高的效率。实验结果验证了理论分析的正确性。最后,根据光伏电池输出电压变化范围宽、直流母线电压较高的特性,本文研究了改进型LLC变换器作为光伏系统的中间级DC-DC变换器。该变换器将传统LLC变换器的谐振槽移至副边,并在副边采用倍压整流电路,将变频控制结合移相控制的混合控制策略应用到该变换器,使其适应光伏电池的宽范围输出电压特性。研究了实现光伏电池最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)的控制算法。详细分析了MPPT算法实现的原理和变频-移相混合控制的改进型LLC变换器的工作特性,推导了变频控制、移相控制、混合控制改进型LLC变换器的增益特性以及输入阻抗。采用了基于动态阻抗匹配的MPPT控制策略以及数字实现方式,提高了光伏MPPT控制的速度与精度。实验结果验证了理论分析的正确性。