徐 銳，國(guó) 海，權(quán) 悅，郭清香，劉帥帥

(安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

0 引 言

目前，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的諧波污染、功率因數(shù)降低等問(wèn)題日益凸顯，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)逐漸向著高頻化發(fā)展帶來(lái)的開(kāi)關(guān)管損耗也變得不容忽視[1]。有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)能夠較好解決以上問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者對(duì)APFC技術(shù)、和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2]提出了一種1.5kW諧振變換器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟開(kāi)關(guān)控制，但未對(duì)前級(jí)PFC電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，忽略了電路諧波對(duì)系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[3]以交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種車載充電系統(tǒng)，進(jìn)行了前級(jí)PFC電路的設(shè)計(jì)，但未考慮到系統(tǒng)高頻化在實(shí)際工作過(guò)程中帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題。傳統(tǒng)單相Boost PFC電路的出現(xiàn)有效改善了電網(wǎng)當(dāng)中諧波的含量，提高了功率因數(shù)，但由于電路電感體積過(guò)大，輸入電流紋波幅值過(guò)大等原因已經(jīng)無(wú)法滿足有些要求嚴(yán)格的場(chǎng)合的生產(chǎn)需要，而兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路的出現(xiàn)很好的解決了上述問(wèn)題[4]。LLC諧振變換器通過(guò)電容、電感之間的諧振，使得功率器件可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)[5]。綜合考慮上述兩種電路的工作特點(diǎn)，將二者相結(jié)合研究了一種新型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真分析，驗(yàn)證了該電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是完全可行的。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分：交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路和半橋LLC諧振變換電路。圖1為主電路圖，電感L1、L2與開(kāi)關(guān)管S1、S2組成了前級(jí)的功率因數(shù)校正部分；電感Lr、Lm電容Cr組成了后級(jí)的LLC諧振變換器部分。

圖1 基于LLC的交錯(cuò)并聯(lián)APFC主電路

1.1 PFC電路控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了如圖2所示的平均電流控制策略。該控制采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成雙環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)的作用是保證輸入電流波形更接近于正弦波。電壓外環(huán)的作用是穩(wěn)定電路的輸出電壓[6]。控制過(guò)程是首先對(duì)電路中的輸出電壓V0進(jìn)行檢測(cè)，與標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓Vref進(jìn)行比較得到一個(gè)差值，與輸入電壓Vac一起通過(guò)乘法器得到了電流內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)Iref，將Iref分別與電感電流iL1,iL2進(jìn)行做差，差值進(jìn)入電流PI控制器來(lái)控制PWM模塊產(chǎn)生命令來(lái)控制開(kāi)關(guān)S1、S2[7]。圖2為PFC的控制原理圖，圖中Kf、Ks1、Ks2、Kd分別為電壓、電流檢測(cè)調(diào)節(jié)模塊，Gvea為電壓PI調(diào)節(jié)器，Gca1、Gca2為電流PI調(diào)節(jié)器。

圖2 PFC控制原理圖

1.1.1 電流環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)：

對(duì)兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路其中一相進(jìn)行分析，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電路中電感電壓的平均值為：式(1)

(1)

(2)

在fin遠(yuǎn)小于fsw時(shí),對(duì)上式施加小信號(hào)擾動(dòng)得：式(2)。

對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換得到電流環(huán)的傳遞函數(shù)：

(3)

電流PI控制器傳遞函數(shù)為:式(4)。

(4)

Ti=KsGidGca

(5)

電流環(huán)的開(kāi)傳遞函數(shù)為：式(5)。

要保證整個(gè)控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電流環(huán)的帶寬要達(dá)到幾k的范圍，需要滿足電流環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)大于電流環(huán)路PI控制器的“零點(diǎn)”，系統(tǒng)的相位裕度在40°～60°?！傲泓c(diǎn)”取10KHz，由式：(6)得式(7)

lg|Gca|=-lg|GidKs|

(6)

lg|Gca|=-lg|GidKs|=

(7)

將電流PI控制器的“零點(diǎn)”設(shè)為1kHz,可得：式(8)、式(9)

(8)

(9)

所以Kp1=4.239,Ki1=25983。

1.1.2 電壓環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)

電壓環(huán)的傳遞函數(shù)為式(10)，電壓PI控制器函數(shù)為式(11)、電壓環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為式(12)。

(10)

(11)

Tv=KdGvcGvea

(12)

電壓的開(kāi)環(huán)截止頻率可以取10Hz，相角裕度取45°，這樣可以更好的減小輸出電壓紋波對(duì)電壓環(huán)的影響。由式(13)可得式(14)。

lg|Gvea|=-lg|GvcKd|

(13)

(14)

將電壓PI控制器的“零點(diǎn)”設(shè)為10Hz，可得式(15)、式(16)。

(15)

(16)

所以Kp2=8.315，Ki2=524.361

2 LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)

目前，開(kāi)關(guān)電源器件的開(kāi)關(guān)損耗逐漸增加，此時(shí)軟開(kāi)關(guān)的作用也就凸顯出來(lái)。LLC諧振變換器可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，選擇半橋LLC諧振變換器作為開(kāi)關(guān)電源的后級(jí)。

圖3 半橋LLC諧振變換器主電路

半橋LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示:

設(shè)置輸入電壓為400V，輸出電壓25V，輸出二極管壓降0.7V。

根據(jù)上表給出的參數(shù)可以得出諧振變換器的理論變比為：式(17)。

(17)

(18)

表1 電路參數(shù)

由式(17)變壓器的匝數(shù)比計(jì)算出輸入電壓增益的最值為：式(18)。

求出變壓器初級(jí)側(cè)的負(fù)載電阻和反射電阻：式(20)。

(19)

(20)

計(jì)算在Vin最大，輸出不加負(fù)載時(shí)的電感比：式(21)。根據(jù)式(21)得出品質(zhì)因數(shù)Q為：式(22)。

(21)

(22)

在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的品質(zhì)因數(shù)需要不大于Qmax，且需要留有5%～10%的裕量[8]。

Q=(90%～95%)min{Qmax1,Qmax1}=0.319

(23)

確定最小歸一化頻率：

(24)

fmin=fr·fnmin=82kHz

(25)

由前面計(jì)算得出的參數(shù)來(lái)確定諧振電路中的諧振參數(shù)大?。?/p>

(26)

3 仿真結(jié)果及分析

為驗(yàn)證上述分析的正確性，通過(guò)軟件建立仿真電路，對(duì)文中所設(shè)計(jì)的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路和半橋LLC諧振變換電路進(jìn)行仿真測(cè)試。

圖4 PFC電路輸入電壓電流波形

圖5 PFC電路輸出電壓波形

圖6 LLC諧振變換器工作波形

3.1 功率因數(shù)校正電路仿真

設(shè)計(jì)的電路輸入電壓為220V,PFC電路輸出電壓為400V。圖4為經(jīng)過(guò)功率因數(shù)校正后的輸入電壓Vin和輸入電流Iin，圖5為交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路的輸出電壓波形圖。從圖中可以觀察得知，電壓和電流的波形均為正弦波，而且波形基本相同。輸出電壓穩(wěn)定在了400V左右，證明設(shè)計(jì)的兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，同時(shí)具有很好的升壓特性。

3.2 半橋LLC諧振變換器的仿真

通過(guò)軟件對(duì)設(shè)計(jì)的半橋LLC諧振變換器進(jìn)行仿真分析。

觀察圖6可以得出開(kāi)關(guān)管在工作的過(guò)程中發(fā)生了諧振，這是電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的必要過(guò)程。為了驗(yàn)證電路進(jìn)行工作時(shí)，是否實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，測(cè)出電路中開(kāi)關(guān)管和二極管兩端的電壓電流波形，如圖7,8所示：

圖7 開(kāi)關(guān)管Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和兩端電壓波形

圖8 諧振電流和副邊二極管兩端電壓波形

通過(guò)圖7、圖8觀察可得所設(shè)計(jì)的諧振電路在原邊實(shí)現(xiàn)了ZVS,副邊實(shí)現(xiàn)了ZCS，可以通過(guò)降低開(kāi)關(guān)的損耗，有效的提升電路傳輸效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著電力電子設(shè)備的日益普及，現(xiàn)代電力設(shè)備對(duì)PFC電路在諧波的消除、功率因數(shù)校正方面的要求也是越來(lái)越高。傳統(tǒng)PFC電路在功率因數(shù)校正方面有一定的效果，但在輸出電流紋波大小、電感體積方面還是有一定的不足，導(dǎo)致無(wú)法在要求嚴(yán)格、高精度的場(chǎng)合很好使用，并且隨著開(kāi)關(guān)電源的高頻化發(fā)展使得電路損耗加大。針對(duì)這些問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種功率變換電路，前級(jí)采用交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路，后級(jí)采用半橋LLC諧振變換電路進(jìn)行功率變換，通過(guò)分析得出：

(1)在功率因數(shù)校正部分，分別對(duì)電流環(huán)、電壓環(huán)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。最后通過(guò)仿真的圖形可以看出校正后的電壓電流波形大致相同，很好的實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正和電壓的上升。

(2)對(duì)半橋LLC諧振變換器進(jìn)行分析和參數(shù)設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真可以看出所設(shè)計(jì)的半橋LLC諧振變換器在開(kāi)關(guān)管工作時(shí)很好的實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，符合設(shè)計(jì)要求。

研究為交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路提供了一些參考，同時(shí)PFC技術(shù)也是一直處于發(fā)展的階段，今后一定會(huì)研發(fā)出更加滿足電力需求的PFC電路。