07交錯並聯全橋LLC之不均流

艾伊電源 發佈 2024-04-28T00:36:06.583214+00:00

交錯並聯全橋LLC拓撲包含三個實現要素:(1) LLC諧振電路,實現軟開關;(2) 原邊交錯控制,減小輸出紋波電流;(3) 共占空比控制的多個子模塊之間輸入串聯/輸出並聯(ISOP)的連接方式;實際此電路的均流,是依靠要素(3)實現,與要素(1)和(2)無關。

交錯並聯全橋LLC拓撲包含三個實現要素:

(1) LLC諧振電路,實現軟開關;

(2) 原邊交錯控制,減小輸出紋波電流;

(3) 共占空比控制的多個子模塊之間輸入串聯/輸出並聯(ISOP)的連接方式;

實際此電路的均流,是依靠要素(3)實現,與要素(1)和(2)無關。

對於共占空比的ISOP連接方式,有如下三點:

(1) PFC側提供能量給母線電容,並使DC-DC側的總母線電壓保持恆定;

(2) PFC側只保證總母線電壓的恆定,不對單獨的子電路單元的母線電容兩端電壓進行控制;

(3) 對於串聯的子單元模塊,其負載所需的能量直接從各自的母線電容上獲取;若其中一路子單元所取能量增大,該路對應的母線電容電壓就會降低;

對ISOP拓撲進行簡化。將諧振電路的開關網絡/諧振腔/整流網絡整合到一起,用電抗 來表示,並保留能量單向傳輸的特性,可初步簡化至圖17的示意圖。

其中,Z1(f)和Z2(f)分別為LLC1和LLC2原邊的等效電抗,其值與開關頻率相關。根據該圖,有:

(1) 總母線電壓一定,有:u1+u2=constant;

(2) 輸出電壓和負載穩定,有:i1+i2=canstant。

設Z1(f)=Z2(f)。此時,若i1>i2,按照歐姆定律,則u1>u2;而從C1取的能量大於C2取的能量,又有u1<u2。在這種動態的拉扯下,會使得u1=u2, i1=i2,模塊均流。

在Z1(f) Z2(f)時,模塊會有一定的不均流。同時由於上述的這種負反饋作用,使得不均流度有所收斂。

Z(f)包含的器件有:半導體器件/磁性器件/諧振電容。由於半導體器件工作在開關狀態,在系統分析時,可以理解為理想器件。因此,先不考慮半導體器件的影響。這裡主要關注的器件包括上下兩路LLC的諧振電感/諧振電容/主變,也就是電路的諧振參數對模塊不均流度的影響。另外,考慮母線電容容值偏差對不均流度的影響。

仿真驗證

下面仿真驗證該拓撲的不均流度情況。從示意圖15可知,諧振參數差異越大,模塊的不均流度越大。這裡對比的情況包括:

(1) 勵磁電感參數差異對不均流度的影響。這裡考慮差異最大的情況,一路LLC的勵磁電感正偏5%,一路LLC的勵磁電感負偏5%;

(2) 諧振電感和諧振電容參數差異對不均流度的影響。這兩個參數的總電抗為:

則,L越大,C越大,則電抗Z越大;L越小,C越小,則電抗Z越小。因此,考慮一路LLC的L和C均正偏至最大,另一路的L和C均負偏至最小;

(3) 將(1)和(2)匯總考慮,並考慮輕載和重載的情況;

(4) 考慮母線電容容值差異對不均流度的影響。考慮差異最大的情況,上路LLC的母線電容容值正偏20%,下路LLC的母線電容容值負偏20%;

仿真模型建立如圖18。諧振參數差異情況如表3,仿真結果如表4。

表3 仿真參數的差異情況

功率等級(kW)

諧振電容(容差)

諧振電感(容差)

勵磁電感(容差)

主變匝比

母線電壓

輸出濾波電容

單路母線電容(容差)

25kW

330nF (±5%)

8uH (±6%)

80uH

(±5%)

28:20

840V(輸出290V)

790V(輸出267.5V)

750V(輸出240V)

220uF×12

330uF×4

表4 不均流度的仿真結果

序號

參數偏差情況

輸出電壓

輸出功率

諧振電感電流的不均流度

母線電壓差異

LLC1諧振參數

LL2諧振參數

1

不偏

不偏

267.5V

滿載

0.013%

0.02V

2

僅勵磁電感正偏

僅勵磁電感負偏

290V

滿載

0.19%

0.14V

267.5V

滿載

0.23%

0.18V

240V

滿載

0%

0V

3

僅諧振電感和諧振電容正偏

僅諧振電感和諧振電容負偏

290V

滿載

0.88%

8.8V

267.5V

滿載

0.42%

8.4V

240V

滿載

0.64%

10.9V

4

諧振電感正偏,諧振電容負偏

諧振電感負偏,諧振電容正偏

290V

滿載

0.34%

3.1V

267.5V

滿載

0.21%

2.8V

240V

滿載

0.18%

5.8V

5

全部正偏

全部負偏

290V

滿載

0.86%

10.2V

半載

0.22%

13.2V

10%負載

0.6%

10.7V

267.5V

滿載

1.35%

13V

半載

0.51%

12.7V

10%負載

0.29%

8.8V

240V

10%負載

滿載

1.33%

11.8V

半載

0.13%

13.9V

10%負載

0.16%

5.3V

6

僅母線電容容值正偏20%

僅母線電容容值負偏20%

267.5V

滿載

0.23%

0.036V


其中,ip1和ip2分別為LL1和LL2的原邊電流有效值,ip為諧振參數一致時模塊滿載輸出的LL1或LL2原邊電流有效值。

仿真結果表明:

(1) 序號2表明,勵磁電感的參數差異,對模塊不均流度的影響很小;純勵磁電感的差異造成的不均流度最大為0.23%;

(2) 序號3和4對比表明,諧振電感和諧振電容造成的最大不均流度為0.88%;且是在兩路LLC參數差異最大的情況下,不均流度最大;

(3) 從序號5可見,模塊最大的不均流情況,發生在滿載時;

(4) 在限定的諧振參數範圍內,模塊最大的不均流度為1.35%左右,對應的工況為267.5V/滿載輸出。

(5) 從序號6可見,母線電容容值的偏差,對不均流度影響很小;

綜上,ISOP拓撲的均流效果好,滿足使用要求。



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