谐振变换器倍频调制控制及其并联运行

摘要

越来越严峻的能源危机和环境污染问题促使人们寻找更节能、环保的能源供给和消费模式。能源互联网、直流配网和微电网、以及电动汽车等新的电网结构和绿色用电方式是当前学术界及工业界寻求的热门解决方案。为实现这些目标，电力电子技术起着举足轻重的作用，其中高性能的单向及双向DC/DC变换器更是上述应用领域的关键功率变换部件。谐振变换器可以实现全工作范围软开关动作，减少了开关损耗，实现了较高的转换效率，成为DC/DC变换中的理想拓扑结构。然而，为适应上述应用领域，DC/DC谐振变换器还需进一步提升转换效率以提高能源利用率，提高功率密度以缩减体积和成本，并为大功率变换场合提供稳定灵活的并联扩容能力。论文将单相逆变器中的单极性倍频调制思想推广到全桥LLC谐振变换器中，演绎出了系列高效率和高功率密度的倍频式谐振变流器。同时在LLC谐振变换器的Envelope小信号模型的基础上，通过引入谐振电流环控制，提升了模块化谐振DC/DC变流器的并联系统的稳定性和动态特性。
　　首先，论文基于单相逆变器的倍频调制，提出了适用于谐振式DC/DC变流器的倍频调制策略。在传统全桥LLC谐振变换器中，两个桥臂的占空比固定为0.5，相位角为0，全桥输出方波的频率与开关频率相同。通过调节开关管的占空比为0.25和0.75，相位角为180度，实现了谐振槽工作频率的倍增效应。因此，在高频高功率密度工作场合，为实现一定的谐振槽工作频率，功率器件的开关频率减半。另外，由于每次开关动作时涉及的开关管寄生电容减半，软开关实现条件降低，减小了变压器励磁电流以及高频工作下的变换器谐振电流，不仅提高了变换效率，而且降低了谐振元件的体积。此外，论文基于该倍频调制策略，又提出了用于高压输入的LLC谐振变换器，不但谐振槽的工作频率取得了倍频效应，而且实现了高降压比，是直流配网和微网中低压负载供电的理想拓扑。并且论文演绎出一系列应用倍频调制策略的高输入电压DC/DC变流器，拓宽和丰富了倍频调制的应用领域。
　　其次，针对未来电网中的大容量储能系统和固态变压器等应用，论文将倍频调制策略推广到对称型双向谐振变换器中，提出了大功率双向倍频式谐振变流器，以减小了变压器和谐振元件的体积。在传统高压大功率双向变换器中，IGBT的使用显著降低了导通损耗，但其拖尾电流限制了开关频率的提升，导致无源元件体积较大、功率密度提升困难、体积和重量难以缩减。所提出的倍频调制策略使谐振槽工作频率提升为开关频率的2倍，在开关管安全工作的前提下，减小了各个谐振元件的体积，对缩减整机体积起了重要作用。此外，变换器原、副边谐振参数的对称设计，使变换器在双向流动时的功率传输和电压特性一致，大幅降低了频率控制难度。论文在详述了双向变换器的各个工作模态后，详细分析了副边调制、功率输出特性以及软开关实现条件。为了提高双向倍频式大功率谐振变换器在新能源领域的实用性，论文给出了完整的闭环控制策略，尤其针对在软启动和功率传输方向切换时的控制策略进行了详细研究。
　　为了拓宽谐振变换器在电动汽车快速充电等大功率场合的应用前景，论文对谐振变换器并联扩容的稳定性问题进行了系统的理论分析，并将谐振电流内环控制引入到模块的控制环中，提高了变换器和并联系统的稳定性和动态性能。论文首先在分析传统并联系统设计方法的基础上，提出了适用于由相同模块构成的并联系统简化设计流程。然后，基于时域信号到旋转矢量的变换，分析了LLC谐振变换器的Envelope模型。基于该模型分析了LLC变换器的小信号特性，证实了LLC谐振变换器的动态特性对工作点有较高的敏感性，揭示了传统的单电压环控制方式下的变换器动态性能较差的原因。从理论上对谐振电流环控制对变换器性能提升的原理进行了分析，提出了其本质是使系统降阶。同时分析了谐振电流环对变换器小信号特性随工作点漂移的抑制作用，实现了电压外环和均流控制环的设计难度降低。并基于16kW四模块的LLC谐振变换器并联系统，给出了详细的控制环路设计流程，提高了并联系统设计方法的实用性。
　　论文对所提出的变换器及控制方案均进行了理论分析和实验验证。同时，LLC谐振变换器的谐振电流控制方法和并联系统设计方法已应用到了6kW模块化直流电源的工程项目。论文详尽介绍了模块化电源并联系统的架构、闭环控制、启动、保护方式，以及具有较高可靠性的无主控制器下的自主数字化均流策略和协议。验证了所提出的谐振电流内环的性能，以及并联系统稳定性分析的有效性。目前模块化直流电源已实现了批量生产。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 大功率单向交换器

1．2．1 全桥型变换器

1．2．2 高压输入交换器

1．3 大功率双向变换器

1．3．1 非隔离型双向交换器

1．3．2 双有源桥结构变换器

1．3．3 双向谐振变换器

1．4 谐振交换器并联的研究现状

1．4．1 并联均流策略及稳定性

1．4．2 LLC谐振电路建模及控制

1．5 研究内容

第2章 倍频式单向全桥LLC谐振交流器

2．1 非对称占空比控制的倍频调制推导

2．2 非对称调制的LLC变换器模态分析

2．3 变换器性能分析

2．3．1 交换器输出特性

2．3．2 软开关条件

2．3．3 谐振电流

2．3．4 交压器体积

2．4 实验验证

2．5 倍频式串联半桥LLC谐振变换器

2．5．1 变换器及其工作原理

2．5．2 变换器性能分析

2．5．3 实验结果及讨论

2．5．4 其他高压输入倍频变换器

2．6 本章小结

第3章 倍频式双向谐振交流器

3．1 倍频双向谐振变换器及其工作原理

3．2 变换器特性

3．2．1 副边调制

3．2．2 输出特性

3．2．3 软开关条件

3．2．4 软启动及功率控制策略

3．3 实验验证

3．4 本章小结

第4章 LLC谐振交流器的并联控制

4．1 并联系统架构

4．1．1 系统控钢架构

4．1．2 模块控制架构

4．1．3 并联谐振变换器的稳定性分析和设计

4．1．4 并联系统设计流程简化

4．1．5 数字控制分析

4．2 谐振电流控制

4．2．1 LLC交换器的Envelope模型

4．2．2 谐振电流环降阶

4．2．3 小信号模型漂移抑制

4．3 控制环路设计

4．3．1 小信号特性

4．3．2 谐振电流环设计

4．3．3 电压环设计

4．3．4 接口阻抗特性检验

4．3．5 均流环设计

4．4 实验及仿真验证

4．5 本章小节

第5章 并联LLC谐振交换器的工程应用

5．1 系统架构

5．2 并联均流策略

5．3 模块结构及控制

5．3．1 过载保护

5．3．2 软启动

5．4 本章小节

第6章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 今后工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文