梁澤毅,李?，?陳息坤

(1.上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200093;2.上海大學(xué) 電氣工程系,上海 200093)

0 引言

在激光核聚變、離子束武器、高能微波、電磁發(fā)射系統(tǒng)、MARX發(fā)生器、雷達(dá)發(fā)射器等領(lǐng)域,需要大功率脈沖功率電源作為動(dòng)力源為高壓儲(chǔ)能單元充電,再通過高壓儲(chǔ)能單元的快速放電來獲得脈沖能量。高動(dòng)態(tài)品質(zhì)、輸出可控的高壓脈沖功率電源是實(shí)現(xiàn)脈沖能量輸出的核心。諧振變換器由于其效率高、功率密度大、EMI小、輸入電壓范圍廣等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。特別是LLC諧振變換器,能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的ZVS和整流二極管的ZCS[1-4],從而減小了開關(guān)損耗,提高了效率[5-7],優(yōu)點(diǎn)更為突出。目前,LLC諧振變換器多應(yīng)用在降壓場(chǎng)合中,關(guān)于LLC諧振變換器的研究主要集中在穩(wěn)態(tài)控制策略、穩(wěn)壓和降壓方面。如:有些文獻(xiàn)指出LLC諧振變換器初級(jí)繞組和次級(jí)繞組上不均衡的漏感值的分布對(duì)變換器電壓增益存在影響[8];有些文獻(xiàn)結(jié)合諧振變換器的變頻控制和定頻控制的特點(diǎn),研究了一種全橋LLC諧振變換器的混合式控制策略[10];也有一些文獻(xiàn)分析了LLC諧振變換器中元件寄生參數(shù)的影響[11-12]。綜上所述,現(xiàn)有的研究工作很少專注于將諧振變換器應(yīng)用于升壓工作模式。其主要原因是寄生參數(shù)對(duì)電路的影響使得諧振變換器的運(yùn)行不穩(wěn)定,從而造成電路工作狀態(tài)的不穩(wěn)定和不可控。

本文深入分析了寄生參數(shù)對(duì)高升壓LLC諧振變換器的影響,通過合理設(shè)計(jì)高頻變壓器,最大程度降低了寄生參數(shù)對(duì)諧振變換器系統(tǒng)的影響。在理論分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出高壓的LLC諧振變換器,并已經(jīng)應(yīng)用于高壓脈沖功率系統(tǒng)。

1 主電路拓?fù)?/h2>

本文所研究的高壓脈沖電源對(duì)整機(jī)體積、重量和散熱面積等有比較高的要求,為了實(shí)現(xiàn)高效率的能量變換,減少整機(jī)的功率損耗,采用LLC諧振變換器實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)過程是必然選擇,相應(yīng)的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。該電路拓?fù)渑c傳統(tǒng)的LLC諧振變換器的最大區(qū)別在于前者所采用的隔離高頻變壓器具有較大的升壓比。傳統(tǒng)的諧振軟開關(guān)電路拓?fù)涠鄳?yīng)用于降壓或穩(wěn)壓電路,較少應(yīng)用于高升壓電路,主要原因是高升壓比的高頻變壓器寄生參數(shù)對(duì)電路的影響較大,從而造成電路的不穩(wěn)定和不可控。設(shè)計(jì)一款有穩(wěn)定高壓輸出的LLC諧振變換器要保證滿足如下條件:首先,要保證在高升壓情況下,LLC諧振變換器的開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載情況下的ZVS;其次,要保證在正常負(fù)載和變載情況下電路都可以輸出穩(wěn)定的高壓。為了較好地解決高頻變壓器的磁通平衡問題,采用了H型半橋式LLC諧振軟開關(guān)主電路拓?fù)浼軜?gòu)。

圖1 考慮寄生參數(shù)的電路模型

繞組層間以及匝間的靜電場(chǎng)作用是形成高頻變壓器分布電容的重要原因,其大小與變壓器的繞組布局和繞法、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等有關(guān),并且和繞組空間中所存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量成正比。研究表明,與層間的電場(chǎng)儲(chǔ)能相比,同層繞組相鄰匝間的電場(chǎng)儲(chǔ)能可以忽略,因此一般只考慮繞組層間分布電容。高升壓LLC諧振變換器的變壓器匝比n>1,且副邊的線圈匝數(shù)比原邊多若干倍,在變壓器的原邊與副邊間存在耦合電容,原邊副邊也各自存在寄生電容,因?yàn)楦边吘€圈匝數(shù)多、層數(shù)多,因此變壓器副邊的寄生電容對(duì)電路的影響因素更不可忽略,有必要深入分析寄生電容對(duì)變壓器增益的影響。圖1中,C1、C2分別為分壓電容,兩者的容量基本相等;S1、S2為采用IGBT的諧振開關(guān),T為高升壓比的高頻變壓器;Cr、Lr分別為附加的諧振電容和諧振電感;Cq1、Cq2分別是IGBT功率開關(guān)S1、S2的寄生電容;Lm是勵(lì)磁電感,Cp、Cs分別是高頻變壓器一次、二次側(cè)的等效寄生電容。

2 寄生參數(shù)對(duì)開關(guān)管ZVS的影響及解決方法

圖2 等效電路模型

因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間很短,所以勵(lì)磁電感可以等效為一個(gè)電流源。功率開關(guān)管ZVS的實(shí)現(xiàn),是在死區(qū)時(shí)間內(nèi)勵(lì)磁電感Lm對(duì)功率開關(guān)管的電容進(jìn)行充放電,把一個(gè)電容上的電荷完全轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電容上,從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通?，F(xiàn)在大部分研究都關(guān)注整流側(cè)二極管的寄生電容對(duì)死區(qū)時(shí)間的影響,很少有文獻(xiàn)深入分析變壓器寄生電容的影響。當(dāng)變壓器存在寄生電容時(shí),勵(lì)磁電感除了對(duì)功率開關(guān)管的電容進(jìn)行充放電外,還要對(duì)變壓器寄生電容進(jìn)行充放電,這將影響電路的死區(qū)時(shí)間。因此我們需要設(shè)計(jì)合理的死區(qū)時(shí)間來保證功率開關(guān)管的ZVS工作狀態(tài)。由圖2所示的等效電路可得:

(1)

為保證功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS狀態(tài),整理可得到死區(qū)時(shí)間需滿足的約束為:

(2)

式中,im為變壓器勵(lì)磁電流,無寄生電容的高升壓LLC諧振變換器電路增益如式(3)所示:

(3)

式中,k為變壓器的變比,Fn=f/fr。因?yàn)镃r的值遠(yuǎn)大于Cq1、Cp、Cs,Q=(Lr/Cr)1/2/Rac。依據(jù)式(3),可以研究理想狀態(tài)(無寄生電容條件下)的增益變化規(guī)律,在MATLAB里構(gòu)建系統(tǒng)的仿真模型,并進(jìn)行仿真分析,得到仿真曲線如圖3所示。

圖3 無寄生電容的電壓增益曲線

在實(shí)際電路拓?fù)錀l件下,當(dāng)考慮寄生電容時(shí),可以得到電路電壓增益如式(4)所示:

(4)

同理,在MATLAB里構(gòu)建系統(tǒng)的仿真模型,并進(jìn)行仿真分析,可以得到此時(shí)電壓增益變化情況的仿真曲線,如圖4所示。

圖4 有寄生電容的電壓增益曲線

在圖3和圖4中,橫軸是f/fr,縱軸是變壓器增益M。高升壓LLC諧振變換器要求電路的增益大于1。從圖3可以看出,可以選擇兩種方式:一種是選擇f=fr,此時(shí)增益為1,電路效率最高,但是不易調(diào)節(jié);當(dāng)需通過調(diào)節(jié)電路的頻率改變電壓時(shí),若調(diào)節(jié)至f>fr,則不能實(shí)現(xiàn)開關(guān)二極管的ZCS,從圖4可以看出,此時(shí)變壓器的增益發(fā)生了變化,因此無法控制輸出電壓。另一種是選擇f

3 高頻變壓器的繞組設(shè)計(jì)

在LLC諧振變換器中,高頻變壓器的設(shè)計(jì)合理性是有效減少高頻變壓器分布參數(shù)(包括寄生電容)的重要保障。常見高頻變壓器繞組的繞制方法如圖5所示。

(a) C型繞制變壓器

(b)Z型繞制變壓器

(c)分段繞制變壓器圖5 高頻變壓器繞組的繞制方法

本文在研究過程中,采用能最大程度減少寄生電容的繞制方法,即分段式和Z型繞制法混合使用,來繞制高頻變壓器繞組,分段式和Z型繞組的電壓分布如圖6所示。

(a)分段式繞制

(b) Z型繞制圖6 分段式和Z型繞組的電壓分布

將變壓器分成若干段,先繞第一段的第一層,然后繞制第二層,繞完第一段后再繞第二段,以此類推。每一小段采用Z型繞制法,這樣每一小段上兩層的匝間電壓差大大減小。這種繞制方法的好處是可以最大限度地減小寄生電容,相應(yīng)地也減少了寄生參數(shù)對(duì)LLC諧振變換器工作特性的影響。

4 系統(tǒng)仿真研究

在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下對(duì)高升壓LLC諧振變換器進(jìn)行不同負(fù)載狀態(tài)下的仿真研究,驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性。

4.1 固定負(fù)載下的仿真結(jié)果

圖7為在額定負(fù)載狀態(tài)下,進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性研究的仿真波形。由圖7可知,在固定負(fù)載條件下,LLC諧振變換器可以輸出穩(wěn)定的2kV電壓,并且開關(guān)管可以工作在ZVS狀態(tài)。

(a) 輸出電壓仿真波形(500v/div, 0.5s/div)

(b)諧振槽電壓電流仿真波形(20v/div, 50μs/div)圖7 固定負(fù)載下的仿真波形

4.2 變載下的仿真結(jié)果

進(jìn)行變載條件下的仿真,可以研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。從圖8可以看出,在1.4s左右時(shí)從滿載突卸到半載,輸出電壓瞬時(shí)有微小的上升,經(jīng)過控制系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器的閉環(huán)PI控制,LLC諧振變換器的輸出迅速恢復(fù)到給定值,表明該電路系統(tǒng)有良好的穩(wěn)定性和可控制性。

(a)突減負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形(500v/div, 0.5s/div)

(b)突減負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形(局部放大,200v/div, 0.2s/div)圖8 變載下的仿真波形

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

整個(gè)LLC諧振變換器系統(tǒng)的組成架構(gòu)如圖9所示。

圖9 高升壓LLC諧振變換器控制系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)以dsPIC33EP256MU810處理器為核心,由半橋諧振變換器主電路和相應(yīng)的各種功能單元組成完整的控制系統(tǒng)。

5.1 滿載穩(wěn)態(tài)工作實(shí)驗(yàn)

電路工作在滿載狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示,由該波形圖可知,系統(tǒng)可以穩(wěn)定輸出2kV的電壓,且輸出電壓波形穩(wěn)定,表明控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好。

圖10 滿載時(shí)輸出電壓波形(500v/div, 100μs/div)

5.2 不同負(fù)載下的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

由滿載突卸到半載時(shí)的輸出電壓波形如圖11所示,由實(shí)驗(yàn)波形可知,系統(tǒng)在突卸負(fù)載狀態(tài)下,輸出電壓能夠快速恢復(fù)到設(shè)定狀態(tài),可以穩(wěn)定輸出2kV電壓,且輸出電壓波形穩(wěn)定,表明控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

圖11 滿載到半載輸出電壓波形(500v/div, 1s/div)

6 結(jié)論

本文深入分析了寄生參數(shù)對(duì)高升壓LLC諧振變換器的影響,通過合理設(shè)計(jì)高頻變壓器,最大程度降低了寄生參數(shù)對(duì)諧振變換器系統(tǒng)的影響。在理論分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出高壓的LLC諧振變換器,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文理論分析的合理性,研究成果有較大工程應(yīng)用價(jià)值。