1、三電平L L C 諧振型D C /D C 變換器的分析和設(shè)計(jì)顧亦磊!呂征宇!錢照明浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 浙江省杭州市310027摘要I 將三電平技術(shù)和L L C 諧振變換器結(jié)合起來9提出三電平L L C 諧振變換器o 根據(jù)等效電路模型推導(dǎo)出該變換器榆入榆出電壓的增益與開關(guān)頻率負(fù)栽之間的關(guān)系9揭示其開路和短路持性9為該變換器的空栽工作和短路保護(hù)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)o 提供了該變換器兩個(gè)死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì)方法9從而保證了開關(guān)電壓應(yīng)力限制在榆入電壓的一半9同時(shí)滿足每個(gè)開關(guān)零電壓關(guān)斷的實(shí)現(xiàn)條件o 諧振參數(shù)可用推薦的方法依照變比T 諧振電容C S 諧振電感L S 諧振電感L m 的次序來設(shè)計(jì)o 最后根據(jù)所提

2、供的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一個(gè)540W 樣機(jī)9性能和結(jié)果滿足要求9效率達(dá)94.7%o 關(guān)鍵詞I 三電平9諧振9直流 直流變換器9電力電子中圖分類號I TM 46收稿日期-2003-12-15o國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 50237030Z D o 引言通信 網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備大多數(shù)是直流電壓供電 但是電網(wǎng)提供的僅僅是50H z 的交流電壓 因此 電網(wǎng)和設(shè)備中間將增加一個(gè)電力變換裝置 稱為電力電子裝置 為了減少對電網(wǎng)的諧波污染和無功污染 電力電子裝置的第1級通常是一個(gè)功率因數(shù)校正 P F Cp o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n 電路 對于三相P F C 電路其直流側(cè)的

3、輸出電壓會比較高 通常在700V 左右 對于第2級的D C D C 變換器的開關(guān)器件的選擇非常不利 因?yàn)楦邏篗O S F E T 不僅價(jià)格高而且性能明顯下降文獻(xiàn) 1 2 中的L L C 諧振變換器具有脈寬調(diào)制P WM 型變換器無法比擬的優(yōu)點(diǎn) 極易全范圍實(shí)現(xiàn)軟開關(guān) 無反向恢復(fù)間題 高變換效率等 文獻(xiàn) 35介紹的是各種三電平P WM 變換器 其特點(diǎn)是開關(guān)管上的電壓應(yīng)力是輸入電壓的一半 可以很好地解決輸入電壓過高而不容易選擇合適器件的間題 本文提出的三電平L L C 諧振變換器是將L L C 串聯(lián)諧振型變換器和三電平技術(shù)結(jié)合在一起 兼有L L C 串聯(lián)諧振型變換器和三電平變換器的優(yōu)點(diǎn) 但是該變換器與

4、常見的P WM 型變換器 6相比 設(shè)計(jì)難度更大 這也是諧振型變換器在工業(yè)應(yīng)用推廣中的一個(gè)障礙 其輸入輸出電壓的增益與開關(guān)頻率 負(fù)載之間的關(guān)系不能直觀地得到 開路和短路特性也并不明了 各個(gè)諧振參數(shù)相互關(guān)聯(lián) 設(shè)計(jì)上也有一定難度 此外 三電平L L C 諧振變換器中有4個(gè)死區(qū)時(shí)間需要設(shè)計(jì) 這些死區(qū)時(shí)間對開關(guān)管的電壓應(yīng)力的限制及軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)都有影響 也需要一套行之有效的設(shè)計(jì)方法 本文就以上間題進(jìn)行了詳細(xì)探討 并且給出了一套合理有效的設(shè)計(jì)方法 以便產(chǎn)品設(shè)計(jì)者可以輕松用之于三電平L L C 諧振變換器基本工作原理圖1是三電平L L C 諧振型D C D C 變換器主電路的結(jié)構(gòu) 從外觀上看 它與普通的三電平

5、半橋D C D C 變換器很相似 但因主開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號的排列及調(diào)制方式不同 使該三電平半橋電路與普通三電平半橋電路的工作原理和性能大相徑 庭 過程相類似 所以下面只分析半個(gè)周期的工作過程 即4個(gè)工作階段 分別如圖3的4個(gè)等效電 路 S1式中 T 是變壓器原邊對副邊的變比 f S 為L S 與C S 的特征頻率f S =12。L S C !S2862 基本特性分析2. 增益特性分析下面通過對三電平L L C 諧振變換器的近似等效電路的分析 推出增益與開關(guān)頻率 負(fù)載的關(guān)系 從而進(jìn)一步推出該變換器的開路和短路特性假如開關(guān)頻率接近L S 和C S 的諧振頻率f S 時(shí) 變壓器原邊上電壓可以近似為幅度等

6、于T V o 的對稱方波 而整個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)C S L S L m 兩端所加的是一個(gè)幅度為V i n 2的對稱方波 因此 等效電路可以近似表示成圖4的形式 因?yàn)閷?shí)際電路的工作頻率盡量設(shè)計(jì)在f S 附近 所以這個(gè)等效電路在定量上有一定的參考價(jià)值 而在某些變化范圍特別寬 2借以上 的場合 工作頻率可能會離f S 比較遠(yuǎn) 那么這個(gè)等效電路只能定性地描述變換器的特性 12V i n =U L m T 2R oU L m +T 2R o 1 U C S + U L S + U L m T 2R o U L m +T 2R o 3整理后可以得到T V o12V i n =1U 2-U 2m U 2L m C

7、S U 2 m2+U 2S-U2U C S T 2R o U2S!24式中 U S =1L S C !S 稱為L C 特征角頻率 U m =1 L m +L S C !S稱為L L C 特征角頻率 再定義 歸一化角頻率U %=U U S歸一化負(fù)載電阻r %=T 2R o U S L S 諧振電感比1=L m L S那么表達(dá)式 4可以進(jìn)一步表示為 M 1 r % U % =T V o12V i n =11+11-1U %212+1r %21U%-U%!25該表達(dá)式中只包含1 r % U %這3個(gè)變量 諧振電感比1在設(shè)計(jì)過程中已確定 所以該表達(dá)式傳遞的是增益對開關(guān)頻率和負(fù)載的關(guān)系 亦即該變換器的開

8、環(huán)特性 圖5是1=4時(shí)上述表達(dá)式的三維關(guān)系圖 從增益和頻率的關(guān)系看 并不單調(diào) 因此 將全頻段分為高頻單調(diào)區(qū)和低頻單調(diào)區(qū) 在設(shè)計(jì)中 只能將 其設(shè)計(jì)在其中一個(gè)單調(diào)區(qū) 通常的零電壓開關(guān) Z V S 三電平L L C 諧振變換器設(shè)計(jì)在高頻單調(diào)區(qū)12V i n=11+11-1U %21 6圖6a 是1=4時(shí)M 與U %關(guān)系圖 在高頻單調(diào)區(qū)增益隨著開關(guān)頻率的升高而減小 因此當(dāng)變換器開路時(shí)只要將頻率升高就可以保證輸出電壓的穩(wěn)定性 另外 可以看到開路增益存在一個(gè)最小值 即歸一化角頻率趨向無窮大時(shí)的增 益 從極限運(yùn)算的方法可得該最小值為M m i n =11+17因此 在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)讓最小增益大于該值i n8將式

9、5 代入式 8 可得 I %=1r %21+11-1U %212+1U%-U%!29該變換器輸出短路即r %=0時(shí) 式 9 變?yōu)?96"研制與開發(fā)" 顧亦磊等 三電平L L C 諧振型D C D C 變換器的分析和設(shè)計(jì)I%=U%1-U%210圖6b是短路時(shí)I%與U%關(guān)系圖可以看到在短路時(shí)只要將開關(guān)頻率增大到一定程度就可以達(dá)到某個(gè)期望的限流值根據(jù)這個(gè)原理就可以設(shè)計(jì)過流或短路保護(hù)電路使得該變換器更具實(shí)用性3關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)3.死區(qū)時(shí)間設(shè)計(jì)該變換器一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)關(guān)鍵的死區(qū)時(shí)間這兩個(gè)死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì)會影響到主開關(guān)電壓應(yīng)力的限制和Z V S的實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)死區(qū)分別定義如下I d e a d

10、1=I3-I2=I7-I6I d e a d2=I4-I3=I8-I7從三電平L L C諧振變換器的工作原理可以知道為了保證每個(gè)主開關(guān)上電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半S1比S2提早關(guān)斷Id e a d1S4也比S3提早關(guān)斷I d e a d1如果4個(gè)開關(guān)的輸出電容C o S S1C o S S4相等從理論上講只要Id e a d10即可但是實(shí)際上Co S S1C o S S4無法保證嚴(yán)格相等另外也為了可靠將I d e a d1設(shè)計(jì)成能夠滿足以下條件在時(shí)刻I3前S1上的電壓已到達(dá)Vi n2也就是D1已導(dǎo)通同樣在時(shí)刻I7前S4上的電壓已到達(dá)Vi n2也就是D2已導(dǎo)通雖然Co S S1C o S S4會有

11、差異但是在用上述方法設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)可以認(rèn)為S1S4的輸出電容就近似為器件手冊里給定的參數(shù)假定都是Co S S要滿足以上條件就應(yīng)該以下面的不等式來設(shè)計(jì)死區(qū)Id e a d1I m I d e a d13V i n C o S S411S3S4的零電壓是由激磁電感上的激磁電流在I d e a d2階段對S2的結(jié)電容充電同時(shí)對S3S4串聯(lián)的結(jié)電容放電來實(shí)現(xiàn)的實(shí)際上死區(qū)時(shí)間不可能設(shè)計(jì)得非常大因此可以近似認(rèn)為在死區(qū)時(shí)間內(nèi)激磁電感上的電流保持不變即為一個(gè)恒流源在對開關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行充放電因此S3S4的Z V S條件可表示為I m I d e a d23V i n C o S S412可以看到根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)兩

12、個(gè)死區(qū)時(shí)間的表達(dá)式是相同的再將式1代入上面兩個(gè)表達(dá)式中任意一個(gè)可得兩個(gè)死區(qū)時(shí)間設(shè)計(jì)的統(tǒng)一公式T V o I d e a d 4L m f S 3V i n C o S S4133.2諧振參數(shù)設(shè)計(jì)諧振元件的參數(shù)設(shè)計(jì)是諧振變換器設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)該變換器諧振參數(shù)可以按下面的推薦方法來設(shè)計(jì)首先可以根據(jù)變換器輸入輸出電壓的要求來設(shè)計(jì)變壓器變比T其設(shè)計(jì)公式如下T=V i nm i n2V om a X14然后根據(jù)期望的諧振電容的最大電壓應(yīng)力V C m a X來設(shè)計(jì)諧振電容的大小其設(shè)計(jì)公式如下C S=I o T m a X4T V C m a X-T V o15式中Tm a X為最大的開關(guān)周期再根據(jù)期望

13、的L C諧振頻率fS來設(shè)計(jì)諧振電感LS的大小其設(shè)計(jì)公式如下L S=14。2f2S C S16最后設(shè)計(jì)Lm輸入輸出電壓對頻率的依賴關(guān)系可以由下式表示V i n2T V o=1+。2L S4L m1-f Sf17 L S L m代表了變換器變換系數(shù)對頻率變化的比例系數(shù)根據(jù)Vi n與Vo的變化范圍以及期望的工作頻率f的變化范圍就可以確定勵(lì)磁電感Lm的大小式14式17與二電平的L L C諧振變換器類似具體推導(dǎo)過程不詳細(xì)給出可以參考文獻(xiàn)24實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)以上方法設(shè)計(jì)和制作了540W的三電平L L C諧振變換器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ推湟?guī)格和主要參數(shù)如下輸入電壓Vi n為500V700V輸出電壓Vo 為54V輸出電流Io

14、為010A最低工作頻率f m i n為88k H z L C特征工作頻率f S為150k H z主開關(guān)S1S2S3S4為I F P460整流二極管D1D2為30C P150變壓器參數(shù)為T=7410+10Lm =540卜H L S=98卜H諧振電容C S為13.2n F 圖7是600V輸入10A輸出時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形由圖7a可以看到S2實(shí)現(xiàn)了Z V S并且S2的電壓應(yīng)力是300V是輸入電壓的一半其他3個(gè)開關(guān)也是一樣的現(xiàn)象這里不一一給出由圖7b可以看到諧振電容CS上電壓應(yīng)力為340V 圖8給出了該變換器在滿載時(shí)不同輸入電壓下的效率和頻率變化曲線 圖9給出了該變換器在600V 輸入時(shí)不同負(fù)載下的頻率變化曲

15、線 可知 頻率對輸入電壓變化較敏感 而基本不隨負(fù)載變化而變化 空載時(shí) 頻率會變高 這與上面分析的開路特性一致 本實(shí)驗(yàn)中將短路電流限定在12A 即在電壓環(huán)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)電流環(huán) 在負(fù)載電流大于12A 時(shí) 電流環(huán)起作用 在這種控制方式下 600V輸入時(shí)實(shí)測的短路頻率為195k H z 這也與上面分析的短路特性一致I 短路時(shí)提高開關(guān)頻率來限流 65顧亦磊(1978HH 9男9博士研究生9現(xiàn)從事電力電子電路拓?fù)浜碗娫聪到y(tǒng)集咸的研究D E -m a i l I 8u yi l e i 9602h o t m a i l .c o m呂征宇(1957HH 9男9博士9教授9博士生導(dǎo)師9現(xiàn)從事功率變換數(shù)字控

16、制電磁兼容和電力電子器件應(yīng)用等方面研究D錢照明(1939HH 9男9博士9教授9博士生導(dǎo)師9現(xiàn)從事電力電子器件及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)持種工業(yè)電源及電力電子系統(tǒng)電磁兼容等方面研究DA N A L Y S I SA N DD E S I G NO FAT H R E EL E V E LL L CR E S O N A N TD C /D CC O N V E R T E RG uY i e i ,L Z 1e T g y u ,i a TZ 1a o m i T g(Z h e i a n 8U n i v e r S i t y ,H a n 8z h o u310027,C h i n a A b

17、 s t r a c t At h r e e l e v e lL L Cr e S o n a n t c o n v e r t e r i S p r o p o S e db y c o m b i n i n 8t h r e e l e v e l t e c h n i C u ea n dL L Cr e S o n a n t t e c h n i Cu e .A c c o r d i n 8t o t h e e C u i v a l e n t c i r c u i t ,r e l a t i o n S h i p Sa m o n 8D C 8a i n

18、,S w i t c h i n 8f r e C u e n c y a n d l o a da r ed e d u c e d .I t So p e nc i r c u i t c h a r a c t e r i S t i c a n dS h o r tc i r c u i tc h a r a c t e r i S t i ca r ea l S o d i S c l o S e dt o p r o v i d et h e o r y f o rn ol o a d o p e r a t i o na n d o v e rc u r r e n t p r

19、o t e c t i o n .T h e d e S i 8n c o n S i d e r a t i o n f o r t w od e a dt i m e S i S p r e S e n t e dt oa S S u r e t h a t v o l t a 8e S t r e S S f o rm a i nS w i t c h e S i Sw i t h i n h a l f o f i n p u t v o l t a 8e a n dZ V S f o r e a c hm a i n S w i t c h i S a c h i e v e d .

20、 e S o n a n t p a r a m e t e r S c a nb e d e S i 8n e d i n S e C u e n c e o f t u r n r a t i o T ,r e S o n a n tc a p a c i t a n c e C S ,r e S o n a n ti n d u c t a n c e L S ,a n dr e S o n a n ti n d u c t a n c e L m b y t h e p r o p o S e d m e t h o d .F i n a l l y ,t h e a d v a n

21、t a 8e Sa n dt h e p r e S e n t e dd e S i 8n m e t h o d Sa r ev e r i f i e db y a ne X p e r i m e n t a l p r o t o t y p eo f540W,w h o S e p e r f o r m a n c ea n d e X p e r i m e n t a l r e S u l t S S a t i S f y t h e r e C u i r e m e n t .T h eh i 8h e S t e f f i c i e n c y of t h e

22、 c o n v e r t e r r e a c h e S 94.7%.T h i Sw o r k i S S u p p o r t e db y N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (N o .50237030Z D .K e y wo r d s t h r e e l e v e l ;r e S o n a n t ;D C /D Cc o n v e r t e r ;p o w e r e l e c t r o n i c S 17"研制與開發(fā)&qu

23、ot; 顧亦磊等 三電平L L C 諧振型D C /D C 變換器的分析和設(shè)計(jì)三電平LLC諧振型DC/DC變換器的分析和設(shè)計(jì) 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次數(shù)： 顧亦磊， 呂征宇， 錢照明 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江省,杭州市,310027 電力系統(tǒng)自動(dòng)化 AUTOMATION OF ELECTRIC POWER SYSTEMS 2004,28(16 7次 參考文獻(xiàn)(6條 1.劉文華;宋強(qiáng);嚴(yán)干貴 采用IGCT電壓型三電平逆變器的高壓變頻調(diào)速器(Medium Voltage Drive with NPC Threelevel Inverter Using IGCTs期刊論文-電力系統(tǒng)自動(dòng)化 2002(20 2.Canales F;Barbosa P M;Lee F C A Zero Voltage and Zero Current Switching Three Level DC/DC Converter. In 2000 3.R