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        全橋LLC電路時(shí)域模型及其分析

        2018-10-24 07:08:50王志剛董長(zhǎng)城高鵬飛
        電力系統(tǒng)自動(dòng)化 2018年20期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域分析

        王志剛, 董長(zhǎng)城, 侯 凱, 高鵬飛

        (1. 南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司, 江蘇省南京市 211106;

        2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106; 3. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院, 江蘇省南京市 211100)

        0 引言

        由于LLC諧振電路能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)隔離變壓器原邊和副邊的功率器件的軟開(kāi)關(guān)效果,具有高效率和高功率密度的優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于DC/DC變換器場(chǎng)合[1-2]。傳統(tǒng)的LLC電路分析方法為頻域分析方法,基于基波近似法(FHA)簡(jiǎn)化模型雖然可以非常方便地繪制增益曲線和進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì),但是這種分析方法卻忽略了高頻分量對(duì)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的影響,而且不能反映電壓和電流在某一個(gè)點(diǎn)上的時(shí)域狀態(tài)。

        文獻(xiàn)[3-4]基于時(shí)域分析方法分析電路,給出每個(gè)階段的時(shí)域方程,但是僅關(guān)注開(kāi)關(guān)頻率小于諧振頻率的升壓部分,也未根據(jù)這些時(shí)域方程的相互關(guān)系,推導(dǎo)出包含電路全部信息的方程組。文獻(xiàn)[5]在進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)對(duì)諧振電流進(jìn)行了簡(jiǎn)化,導(dǎo)致在遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)處會(huì)造成較大偏差。文獻(xiàn)[6]在FHA頻域分析模型的基礎(chǔ)上引入時(shí)域分析方法,重新定義增益公式中相關(guān)部分為諧振因數(shù)和負(fù)載因數(shù)進(jìn)行分析,但是這種定義沒(méi)有明確的依據(jù),且缺乏現(xiàn)實(shí)的物理意義。文獻(xiàn)[7-9]只是針對(duì)LLC電路的移相控制部分進(jìn)行了時(shí)域分析,而未對(duì)占LLC電路絕大多數(shù)的工作狀態(tài)的變頻工作部分進(jìn)行時(shí)域分析。

        因此本文根據(jù)全橋LLC電路的時(shí)域電壓、電流波形,分段推導(dǎo)出包含電路工作時(shí)全部信息的時(shí)域方程組。在方程組的基礎(chǔ)上,根據(jù)邊界條件,求解出其數(shù)值解,包括增益、瞬時(shí)電壓和電流等,并且與FHA作了對(duì)比分析。

        1 LLC電路拓?fù)浜凸ぷ鲄^(qū)域

        全橋LLC電路的拓?fù)涫疽鈭D如附錄A圖A1所示。其中:S1至S4為4個(gè)具有反并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)管;D1至D4為輸出整流二極管;Co為輸出濾波電容;RLd為負(fù)載;n為原副邊匝比;諧振元件包括電感Lr(包括變壓器的原邊漏感)、Lm和電容Cr,其中Lr和Cr分別為諧振電感和諧振電容,而Lm與變壓器并聯(lián),可以由變壓器的勵(lì)磁電感來(lái)實(shí)現(xiàn);由于諧振電容Cr串聯(lián)在原邊回路中,它同時(shí)起到隔直作用。

        根據(jù)電壓增益和電路頻率將全橋LLC電路工作區(qū)域分類,如附錄A圖A2所示。其中區(qū)域3為容性工作區(qū)域,此時(shí)開(kāi)關(guān)管無(wú)法實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)開(kāi)通,損耗大且頻率太低,不利于變壓器設(shè)計(jì),一般LLC電路不工作在此區(qū)域。因此本文只討論區(qū)域1和區(qū)域2全橋LLC電路工作狀態(tài)。

        2 LLC電路全時(shí)域方程

        2.1 區(qū)域1全時(shí)域方程

        區(qū)域1:在工作頻率fs>fr(Lr和Cr的諧振頻率)時(shí),電壓增益小于1.0,處于降壓模式[10],變換器呈感性,開(kāi)關(guān)管工作在ZVS開(kāi)通狀態(tài)。區(qū)域1的工作波形如圖1(a)所示,根據(jù)電壓、電流實(shí)際工作波形對(duì)電路進(jìn)行分析,可建立全時(shí)域方程組。其中vgs1,2,3,4為S1至S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào),vAB為開(kāi)關(guān)管H橋中點(diǎn)輸出電壓,iLr為諧振腔電流,vLr為諧振電感上的電壓,iLm為勵(lì)磁電流,vCr為諧振腔電容電壓,iCr為流經(jīng)諧振電容的電流,iD1為流經(jīng)二極管D1的電流,iD3為流經(jīng)二極管D3的電流,Vi為L(zhǎng)LC輸入端直流電壓,Vo為L(zhǎng)LC輸出端直流電壓。

        圖1 區(qū)域1工作波形及半周期等效電路圖Fig.1 Working waveform of area 1 and equivalent circuit in half cycle

        死區(qū)時(shí)間對(duì)LLC電路實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通有一定影響,在電路特性分析中視情況區(qū)分對(duì)待。對(duì)于區(qū)域1,因諧振電流不能突變,如圖1(a)中t1~t2死區(qū)時(shí)間內(nèi)諧振電流逐步下降至勵(lì)磁電流,因此死區(qū)時(shí)間不能直接忽略。而為了方便分析,認(rèn)為在t1時(shí)間點(diǎn),vAB電壓直接反向。那么在區(qū)域1內(nèi),諧振等效電路如圖1(b)和圖1(c)所示。在t0~t1時(shí)間段內(nèi),vAB等于Vi,電流方向如圖1(b)所示。在t1~t2時(shí)間段內(nèi),vAB等于-Vi,電流方向保持原有方向,如圖1(c)所示。

        記t0時(shí)間為開(kāi)始時(shí)刻,根據(jù)圖1(b)和圖1(c)等效電路,可列寫(xiě)微分方程組如式(1)所示。

        iLr(t)=Csin(w1t+φ)=Ccosφsin(w1t)+

        Csinφcos(w1t)

        (1)

        式中:iLr(t)為iLr瞬時(shí)值,其他帶有后綴(t)的變量同樣表示此變量的瞬時(shí)值;C和φ為常量;w1為諧振電流的角頻率。

        記將初始條件式(2)代入式(1)中可以得到:

        (2)

        (3)

        式中:Im為t=t2時(shí)的諧振電流值。

        由穩(wěn)態(tài)時(shí)波形的對(duì)稱性可知,t=t0時(shí)的諧振電流值為-Im。對(duì)應(yīng)于圖2(a),Im為t=t3時(shí)的諧振電流值。vCr(0)為t=t0時(shí)的諧振電容上的電壓,記為其初值。

        根據(jù)基爾霍夫電壓定律對(duì)等效電路進(jìn)行分析可得:

        vCr(t)= (Vi-nVo)-[(Vi-nVo-

        vCr(0))cos(w1t)+w1LrImsin(w1t)]

        (4)

        在上述分析的半周期內(nèi),勵(lì)磁電流iLm為線性變化,結(jié)合得到的電流iLr和電壓vCr表達(dá)式可得:

        (5)

        為便于對(duì)LLC電路變量分析,將相關(guān)參量進(jìn)行歸一化處理[9,11-12],設(shè)置基準(zhǔn)電壓VB、基準(zhǔn)電流IB、基準(zhǔn)阻抗ZB和基準(zhǔn)角頻率wB如式(6)所示。

        (6)

        1)0≤θ≤θ1

        (7)

        2)θ1≤θ≤θ2

        (8)

        2.2 區(qū)域2全時(shí)域方程

        區(qū)域2:在fs

        圖2 工作區(qū)域2半周期等效電路圖Fig.2 Half Equivalent circuit of area 2 in half cycle

        類似區(qū)域1分析過(guò)程,對(duì)區(qū)域2的等效電路進(jìn)行分析得到時(shí)間段t0~t1和t1~t2的勵(lì)磁電流iLm、電流iLr和電壓vCr,然后將時(shí)間段轉(zhuǎn)化成角度段0~θ1和θ1~θ2并且將電壓電流量標(biāo)幺化得到式(9)和式(10),即

        1)0≤θ≤θ1

        (9)

        2)θ1≤θ≤θ2

        (10)

        2.3 邊界條件及非線性方程組

        2.1節(jié)和2.2節(jié)根據(jù)LLC電路工作區(qū)域1和2的電壓電流波形列寫(xiě)了其時(shí)域方程。時(shí)域方程反映了各部分電壓電流的瞬時(shí)值,但是方程中有一些參數(shù)需要通過(guò)一些邊界條件進(jìn)行限定[13-14]。

        對(duì)于區(qū)域1,邊界條件為:

        (11)

        同時(shí)根據(jù)勵(lì)磁電流iLm從t0積分到t2為零,根據(jù)文獻(xiàn)[8]可得:

        (12)

        式中:品質(zhì)因數(shù)Q=Zr/[(8n2/π2)RLd],其中RLd為輸出端等效負(fù)載電阻,Zr為特征阻抗。

        基坑與斜拱樁基承臺(tái)邊緣凈距不同時(shí),斜拱樁基產(chǎn)生的水平推力對(duì)深基坑的影響是不同的。分析邊緣凈距L對(duì)鄰近深基坑圍護(hù)樁的影響時(shí),斜拱樁基先于深基坑施工,即基坑開(kāi)挖前斜拱已經(jīng)對(duì)承臺(tái)施加荷載。邊緣凈距L分別取為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m。圖6和圖7分別為不同邊緣凈距下圍護(hù)樁樁身最大水平位移分布圖和圍護(hù)樁最大水平位移變化曲線圖。

        綜上所述,聯(lián)立所有邊界條件和約束條件可得:

        (13)

        對(duì)于區(qū)域2,邊界條件為:

        (14)

        區(qū)域2的不同之處的是勵(lì)磁電流從t0到t2并不是一條直線且其積分不為零。由t0到t2的積分與輸出電流的Io的關(guān)系可以推出:

        (15)

        因此類似區(qū)域1情況,聯(lián)立所有邊界條件和約束條件可得方程組如式(16)所示。

        (16)

        3 分析與實(shí)驗(yàn)

        3.1非線性方程求解

        上文給出了包含LLC電路完整時(shí)域信息的隱式方程組,為進(jìn)一步進(jìn)行分析,并驗(yàn)證時(shí)域分析的有效性,本章使用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB軟件,通過(guò)fsolve(·)函數(shù)計(jì)算出方程的數(shù)值解。fsolve(·)解決的方程形式為F(X)=0,用法為:

        x=fsolve(f(x),x0)

        (17)

        式中:f(x)為方程組;x0為初值,需要提前設(shè)定。

        求解過(guò)程中最重要的是確定迭代算法和初值,迭代算法使用“信賴域狗腿法(trust-region-dogleg)”,這種最優(yōu)化算法的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高,有效性和收斂性強(qiáng)。首次初值的設(shè)定,根據(jù)LLC電路實(shí)際工況和參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,因諧振點(diǎn)處的工作狀態(tài)最為簡(jiǎn)單,并且參數(shù)估算最為容易,所以選取諧振點(diǎn)處的電氣參數(shù)為首次計(jì)算的初值,然后通過(guò)fsolve(·)函數(shù)求解諧振點(diǎn)處的各個(gè)變量的真實(shí)值,此為一次完整的求解過(guò)程。

        以此類推,進(jìn)行其他工作頻率點(diǎn)的方程的求解。

        3.2 軟開(kāi)關(guān)分析

        圖3 時(shí)域與頻域增益曲線比較Fig.3 Comparison of gain curves in time domain and frequency domain

        對(duì)于FHA增益曲線,許多論文提及增益最高點(diǎn)是感性和容性工作區(qū)域的分界點(diǎn),但是根據(jù)圖3(b)可知,此分界點(diǎn)位于B點(diǎn),要略小于增益最高點(diǎn)A點(diǎn)。這是因?yàn)镕HA實(shí)際上是有損分析,丟失了一些高頻分量的影響。所以基于FHA的電路設(shè)計(jì)中,要保證電路實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通的效果,增益一般要取0.9~0.95的裕度。

        3.3 實(shí)驗(yàn)

        為對(duì)所建立的時(shí)域模型進(jìn)行驗(yàn)證,在20 kW電動(dòng)汽車(chē)充電模塊[7]上對(duì)增益特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)電路為雙路輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(ISOP)型LLC電路,下面的實(shí)驗(yàn)分析只針對(duì)單路,實(shí)驗(yàn)工作波形如附錄A圖A3所示。

        針對(duì)特定的Q,施加一定的電阻負(fù)載,同時(shí)測(cè)量單路LLC電路的輸入電壓和輸出電壓,然后計(jì)算輸出電壓與輸入電壓的比值,獲得真實(shí)增益。并將通過(guò)頻域分析方法(FHA)、時(shí)域分析方法和實(shí)驗(yàn)方法獲得的增益曲線繪制在一起,如附錄B表B1和圖4所示。同理可繪制出Q=0.35和Q=0.45時(shí)的增益曲線和效率曲線,如圖5和圖6所示。

        由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,相對(duì)于FHA,時(shí)域分析方法獲得增益更加貼近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),尤其是工作頻率小于諧振頻率時(shí)。工作頻率大于諧振頻率時(shí),隨著Q變小,即負(fù)載變輕時(shí),高頻段的實(shí)測(cè)增益有上翹趨勢(shì),時(shí)域分析方法的增益曲線較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差變大。另外從效率曲線可以看出,高頻段LLC的效率下降較快,理論上會(huì)對(duì)增益造成一定的損失,但是由于高頻段曲線上翹,并不十分明顯。有關(guān)高頻段增益上翹的現(xiàn)象將在后續(xù)研究中進(jìn)行分析。

        圖4 Q=0.25時(shí)增益及效率Fig.4 Gain and efficiency when Q=0.25

        圖5 Q=0.35時(shí)增益及效率Fig.5 Gain and efficiency when Q=0.35

        圖6 Q=0.45時(shí)增益及效率Fig.6 Gain and efficiency when Q=0.45

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文建立了完整的全橋LLC時(shí)域分析模型,建立了其時(shí)域非線性方程組,給出了其求解方法,并針對(duì)軟開(kāi)關(guān)范圍和增益進(jìn)行了詳細(xì)的分析。增益實(shí)驗(yàn)證明,本文所提時(shí)域模型及分析方法能夠更為準(zhǔn)確地表述LLC電路的特性,尤其遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)時(shí)的電路特性。時(shí)域分析方法設(shè)計(jì)非線性方程組,較FHA方法更為復(fù)雜,如何將其工程實(shí)用化是以后研究工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

        附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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