CLLC谐振隔离型双向DC/DC变换器的设计与控制方法研究

摘要

双向隔离DC-DC变换器具有电压变换、能量双向传输和电气隔离等作用，是开关电源、电力电子变压器等电力电子系统的关键环节，近年来已推出了多种各具特点的电路拓扑。本文主要研究CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换器的设计方法与控制策略。 首先综述了双向隔离DC-DC变换器的电路拓扑发展过程，分析了CLLC谐振型双向隔离DC-DC变换器的三种工作模式和运行模态，采用基波等效分析法(FHA)分析了变换器的电压增益特性、功率传输特性以及开关死区对传输功率的影响，建立了变换器电压增益与谐振回路参数和开关频率的函数关系。 分析了谐振软开关条件下高频变压器励磁电感与开关死区时间的关系，指出了励磁电感的设计依据。考虑到变换器电压增益受工作模式和谐振参数变化的影响，针对直流变压器等某些应用中希望电压增益恒定的要求，给出了谐振参数的优化设计方法。同时研究了开关频率与谐振频率的偏差对电压增益的影响。 针对要求变换器电压增益恒定的应用场合，提出CLLC谐振型双向隔离DC-DC变换器的定频同步开环控制策略，即双有源桥开关工作在同频同相控制且开关频率选定在设计的谐振频率，无需反馈谲节环节。当谐振参数在有限范围内变化时，在优化设计的参数下定频同步开环控制策略可以维持电压增益基本恒定。针对电压增益要求较高或希望输出电压可以微调的应用场合，提出一种调频稳压控制策略，根据输出电压的变化微调开关频率，确保变换器工作在谐振状态，提高变换器的效率。 设计开发了一台额定功率6kW、采用SiC MOSFET器件的CLLC谐振型双向DC-DC变换器实验样机，开展了不同工况和不同参数下的两种控制策略实验，实验结果验证了CLLC谐振变换器的参数优化设计方法和控制策略的正确有效性。