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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