諧振變換器的控制措施

1自振特性研究由于電路中存在隔離開關、電源等非線性元件，電力電子變換系統(tǒng)屬于非線性強線性系統(tǒng)。自持振蕩現(xiàn)象是非線性系統(tǒng)在未受到外界周期性振蕩作用時出現(xiàn)的一種具有一定頻率的不衰等幅振蕩,該振蕩較穩(wěn)定性,受到某種干擾后,還能恢復其振蕩狀態(tài)。顯然,在穩(wěn)定的諧振變換器系統(tǒng)中,諧振電感電流和諧振電容電壓都具有這種振蕩特性。但是否為自振,還取決于是否具有外界引入的周期性振蕩作用。傳統(tǒng)變頻控制根據(jù)輸出電壓的波動來相應改變壓控振蕩器的輸出頻率,從而控制輸出電壓。壓控振蕩器相當于由外界引入的振蕩源,所以基于變頻控制的諧振變換器中的振蕩不是自振。文獻針對變頻控制輸入電壓范圍窄、頻率變化范圍寬、且輕載時很難實現(xiàn)軟開關的缺點,提出了自持振蕩控制(SSOC)。在該控制下,諧振變換器的工作頻率不是由壓控振蕩器施加的,而是圍繞某一頻率自由振蕩。相比于變頻控制,SSOC在輕載時仍能實現(xiàn)ZVS,有利于變換器磁性元器件的優(yōu)化設計和提高工作效率。因此,這里旨在研究基于SSOC的串聯(lián)諧振變換器中的自振特性。首先分析自振控制原理,然后引入非線性系統(tǒng)理論中的描述函數(shù)法來深入分析系統(tǒng)維持穩(wěn)定自振的條件,接著對基于SSOC控制的諧振變換器進行穩(wěn)態(tài)特性分析,最后進行實驗驗證。2pi控制器設計SSOC通過控制開關頻率可同時調(diào)節(jié)輸出電壓和保證諧振電流滯后于逆變器輸出電壓,從而確保開關管工作于軟開通狀態(tài)。為實現(xiàn)該目的,SSOC控制器需由兩個控制環(huán)路組成,如圖1所示。內(nèi)環(huán)負責調(diào)節(jié)諧振電流-iL和逆變器輸出電壓uab間的相角γ,使iL在任何負載情況下都滯后于uab,從而使得變換器工作于ZVS狀態(tài);外環(huán)負責調(diào)節(jié)輸出電壓Uo,使其跟隨參考值Uref。PI調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓uca與峰值恒定,且始終與iL保持同相位的鋸齒波信號相比較,產(chǎn)生置位脈沖和復位脈沖。置位脈沖控制VS1和VS4開通,復位脈沖控制VS2和VS3開通。若uca發(fā)生變化或iL的頻率發(fā)生變化,則驅(qū)動信號頻率和γ也相應地發(fā)生變化,以維持系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS。3振幅變換器自振模式圖2為非線性系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)。由于自振與加在系統(tǒng)中的給定指令、干擾無關,故有r(t)=0,線性部分G(S)與非線性部分N(X)串聯(lián)。仿照線性系統(tǒng)中頻率特性概念,定義非線性環(huán)節(jié)輸出的基波分量與輸入的正弦信號復數(shù)比為非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù),即N(X)。在分析非線性系統(tǒng)時,N(X)代替非線性部分;頻率特性G(jω)代替線性部分。根據(jù)以上理論,將基于SSOC控制的諧振變換器進行等效變換與歸一化:所有線性部分合并用傳遞函數(shù)Gis-Uab(jω)表示;所有非線性部分用描述函數(shù)N(Is,γ)表示,頻率響應如圖3所示。當非線性系統(tǒng)自振時,系統(tǒng)的輸入、輸出均為基波頻率的正弦量在起作用。根據(jù)線性理論中的Nyquist穩(wěn)定判據(jù),若閉環(huán)系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定的等幅振蕩狀態(tài),則其開環(huán)幅相特性應穿過(-1,j0)點,即在該點上開環(huán)幅相特性等于-1。由此可得非線性系統(tǒng)具有等幅振蕩的條件應為等效的開環(huán)幅相特性等于-1,即:N(X)G(jω)=-1。與線性系統(tǒng)相比,-1/N(X)相當于線性系統(tǒng)中開環(huán)幅相平面的(-1,j0)點。對線性系統(tǒng)而言,最小相位系統(tǒng)的開環(huán)幅相特性曲線G(jω)不包圍(-1,j0)點,閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。將此推廣到非線性系統(tǒng),則:(1)系統(tǒng)線性部分的G(jω)不包圍-1/N(X),非線性系統(tǒng)穩(wěn)定;(2)G(jω)包圍-1/N(X),非線性系統(tǒng)不穩(wěn)定;(3)G(jω)=-1/N(X),則非線性系統(tǒng)處于等幅振蕩,稱之為在一次近似下的周期運動。在同一復平面上作出G(jω)與-1/N(X)曲線,兩線相交,則參數(shù)振蕩幅值X和振蕩角頻率ω為交點處G(jω)與-1/N(X)的自變量。因此,對于任一諧振變換器,如果其自振模式存在,則其必須滿足:Gis-Uab(jω)=-1/N(Is,γ),令-is=Issinωst,則:那么有:串聯(lián)諧振變換器的諧振槽及后接電路可化簡為LC與不控整流環(huán)節(jié)、濾波電容和負載的等效電阻Re串聯(lián),加在諧振槽中電壓兩端的電壓為uab,諧振槽中電流為is,則諧振槽路的等效阻抗為:故線性部分的傳遞函數(shù)為:式中:RL為實際負載;ω0為諧振頻率,ω0=2πf0;Qs為品質(zhì)因數(shù),。在同一復平面上作出式(2),(4)曲線,如圖4a所示,Ⅰ區(qū)0<γ<π/2,Ⅱ區(qū)π/2<γ<π。可見,當0<γ<π/2時,曲線無交點,因此在該范圍內(nèi)系統(tǒng)無自振點;當π/2<γ<π時,曲線有交點,因此在該范圍內(nèi)系統(tǒng)存在自振工作點。為確定這些自振點是否穩(wěn)定,作出γ=2π/3時式(2),(4)曲線相交于一自振點y,如圖4b所示。當系統(tǒng)受到小擾動,從y點移向u點時,根據(jù)擴展的Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)可知,該點被G(jω)曲線所包圍,因此該點不穩(wěn)定,這樣系統(tǒng)的振蕩會變大,從而使u點向y點移動并最終處于穩(wěn)定狀態(tài)。當系統(tǒng)受到擾動使y點向o點移動時,該點位于G(jω)曲線之外,則系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運動狀態(tài),振幅將進一步減小,直到衰減為零,使系統(tǒng)重新回到y(tǒng)點處。綜合上述分析可見,該系統(tǒng)在π/2<γ<π范圍內(nèi)存在穩(wěn)定自振點。4精神處理函數(shù)函數(shù)對某一諧振變換器,若其自振控制模式存在,則其幅值和頻率必滿足Gis-Uab(jω)=-1/N(Is,γ)。令該式兩側(cè)實、虛部對應相等,且α=ωs/ω0,可得:式(5)的解即為變換器的穩(wěn)定點。解方程時,僅需考慮開關頻率大于諧振頻率時的情況,即保證α>1。已知諧振電路的特征阻抗為,令io=Ug/Z0,代入式(5)可得:根據(jù)式(6),繪制Qs分別取1~5時Is/io與γ的關系,如圖5a所示。可見,當γ一定時,Qs越小,即所帶負載越輕(RL越大),諧振電流峰值越小。根據(jù)式(5),繪制Qs分別取1~5時,α與γ的關系,如圖5b所示。可見,Qs越大,調(diào)節(jié)過程中開關頻率變換范圍越小,且Qs越大,開關頻率越接近諧振頻率,由串聯(lián)諧振變換器的通用曲線可知其電壓轉(zhuǎn)換比越大,工作效率越高。由于諧振變換器的輸出電流實際就是諧振電流經(jīng)過整流后的平均值,根據(jù)式(5),即可得電壓的增益表達式為:由式(7)可知,調(diào)節(jié)γ即可控制Uo。由式(5),式(7)可得自持振蕩控制下α與M和Qs的關系:文獻中給出串聯(lián)諧振電路的通用增益為:將式(9)中的α用M和Qs表示,則:對比式(8)和式(10)可見,二者表達形式基本一致,但略有誤差。其原因在于描述函數(shù)法只考慮了電路中的基波分量,而忽略了諧波。兩式基本一致也說明了這里利用描述函數(shù)法來分析系統(tǒng)的自振特性是正確的。5諧振電路的穩(wěn)態(tài)運行這里進行了實驗研究,關鍵電路參數(shù)如下:諧振電感L=150μH,諧振電容C=67nF,諧振頻率fo=50kHz,RL=20Ω,Uo為12~25V。由圖6a可見,諧振電路穩(wěn)態(tài)運行時,諧振電感電流與諧振電容電壓進行等幅的周期振蕩。由圖6b可見