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宽范围LLC谐振变换器的研究

林辉品  
【摘要】:LLC谐振变换器具有自然零电流和零电压的优良特性,在中小功率领域中得到了广泛的应用,是目前优选的DCDC拓扑之一。在新能源等需宽广范围的应用场合中,对宽范围DCDC变换器做了很多相关研究。LLC谐振变换器的宽范围应用也日益成为研究热点。本文首先分析了风电、光伏、电动汽车等宽范围新能源发电和应用场合,总结和归类LLC谐振变换器在宽范围领域中的研究,并归纳出LLC谐振变换器在宽范围应用中存在的问题和挑战,并使用柔性变模态理论,对其提出若干种变模态策略,以及一种兼顾准确性和直观性的改进增益的计算方法。本论文的主要研究内容如下:目前对宽范围LLC谐振变换器增益的计算方法中,时域分析法比较复杂且不直观,基波等效法不精确。本文结合时域分析法和基波等效法的优点,提出一种较为准确和直观的改进增益算法。在靠近峰值点时,按照PON和PN模态的边界方程来判断增益曲线走势,并对PON波形做近似处理,得到其模态下的增益,PN模态有解析解;而等于或略小于谐振频率的计算可见其他文献得到。把以上几点结合,可得到改进后的增益曲线,使LLC谐振变换器在大于谐振频率、等于或略小于谐振频率、以及在靠近峰值点时,都比较准确。有利于宽范围LLC谐振变换器参数设计和优化。在风力发电应用中,根据风力发电机的最大功率捕获曲线(MPPT)和宽输出电压范围的特性,利用柔性变模态理论,提出一种结合全桥变频(FB VF),全桥移相(FB_PS)和半桥变频(HB VF)变模态控制方案。按照风力发电机输出功率电压曲线,FB_VF、FB_PS、HB_VF模态按照增益大小依次顺序排列,并且在FB_VF和FB_PS之间的切换过程中,通过统一两者的控制变量,采用无缝切换方法,使其过程无动态调节过程;而FB PS和HB VF之间采用回差切换,切换过程采用中间模态过渡,通过控制变量的逐渐连续变化,使切换前后增益保持不变,并且中间过渡过程电压波动也较小,而且中间模态逆变单元开关管可以实现ZVS。通过此变模态策略,使LLC保证在宽范围应用场合中实现高效率运行,比单纯FB VF模态控制,在高输入电压时,效率可提升1%。不同功率等级下,不同模态的工作效率和增益范围并不一样。针对这一情况,本文结合全桥变频(FB VF)、全桥不对称(FB ASY)和全桥倍频(FB DF)提出另一种柔性变模态方案。在不同负载下,首先测量出不同模态在不同输入电压的工作效率,并计算出三种模态的增益。结合不同功率下的效率曲线和增益曲线,采用FB_VF、FB_ASY和FB_DF中的2种或3种,按照增益大小顺序排列。同上段所述,FB_VF和FB_ASY切换采用无缝切换方法,其无动态调节过程;而FB_VF和FB_DF,FB_ASY和FB_DF之间采用回差切换,采用中间模态过渡。并使中间过程中原边开关管也可实现ZVS。针对LLC应用中,宽增益和宽功率基本都需宽频率范围,本文提出一种双谐振腔方案,结合逆变单元的全桥半桥切换,和变压器变比变化。使电路在不同功率等级下,合理选择逆变单元,谐振腔和变压器变比,使其始终工作在谐振点附近,电路始终工作在最佳状态,并且用最小的频率范围变化达到最大的增益范围。在不同电路结构之间的切换,采用先暂停后切换的方案。


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