一種具有自限流功能的LLC諧振變流器拓?fù)?/h1>
一、引言
在發(fā)電廠和變電站中，供給二次回路的直流電源稱為電力操作電源。電力操作電源主要用于向控制、保護(hù)、信號、自動裝置回路以及操動機(jī)械和調(diào)節(jié)機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)供電，同時(shí)還作為獨(dú)立的事故照明電源。目前發(fā)電廠和變電站普遍應(yīng)用的操作電源是硅整流型操作電源（又稱相控式操作電源），它采用硅整流型充電裝置對蓄電池充電，由蓄電池向二次回路提供不間斷的直流電源。但這種電源存在許多缺陷，如充電裝置效率差、穩(wěn)壓穩(wěn)流精度低、紋波大、電池保持容量低、壽命短等。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的硅整流型電源正在逐漸被高頻開關(guān)電源取代。高頻開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、電氣性能好等許多優(yōu)點(diǎn)。此外，由于高頻開關(guān)電源采用模塊化結(jié)構(gòu)和n+1備份方式，使電源裝置的可靠性得到大大提高。
在高頻開關(guān)電源的LLC諧振變流器的LLC諧振變流器的具有一些優(yōu)越的性能，例如可以實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管在全負(fù)載下的零電壓軟開關(guān)（ZVS），副邊整流二極管電壓應(yīng)力低，因此高輸出電壓應(yīng)用情況下可以實(shí)現(xiàn)較高的效率等。這些優(yōu)點(diǎn)使得LLC諧振變流器特別適合高輸出電壓的應(yīng)用場合，如電力操作電源等。
但是LLC諧振變流器的拓?fù)湓趹?yīng)用中還存在一些實(shí)際問題，其中一個(gè)主要問題是當(dāng)出現(xiàn)電路啟動、負(fù)載過流或短路情況時(shí)如何限制電路中的電流以防止電路損壞。針對這個(gè)問題，已有若干種解決方案，如直接屏蔽控制芯片驅(qū)動信號、直接升頻控制、升頻控制結(jié)合脈寬調(diào)制（PWM）控制和加鉗位二極管的變結(jié)構(gòu)LLC拓?fù)涞取５陨戏椒ǘ即嬖诟髯缘娜秉c(diǎn)，如直接升頻控制會導(dǎo)致開關(guān)頻率過高、開關(guān)關(guān)斷損耗增大；升頻控制結(jié)合PWM會導(dǎo)致開關(guān)管失去軟開關(guān)條件；加鉗位二極管的變結(jié)構(gòu)LLC拓?fù)涞南蘖鏖y值受輸入電壓影響較大，在高端輸入電壓下限流效果差。為此，本文提出一種新型的具有自限流的LLC諧振變流器拓?fù)洹?BR>
二、理論分析
如圖1所示，本文提出的LLC拓?fù)潆娐分饕Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的LLC諧振變流器相同，只增加了一個(gè)小功率變壓器T2以及2個(gè)二極管D3和D4。具體工作原理簡單描述如下：正常工作下，輔助電路不起作用，電路工作與傳統(tǒng)的LLC諧振電路相同。當(dāng)過流或短路情況出現(xiàn)時(shí)，諧振電容兩端電壓升高。當(dāng)該電壓上升到折算到變壓器T2副邊超過輸出電壓時(shí)，二極管D3和D4交替導(dǎo)通，諧振電容電壓被鉗位，從而諧振電流也被鉗位，此時(shí)諧振電容等效成一個(gè)電壓源。由于本文提出的拓?fù)鋵χC振電容鉗位的電壓源是輸出電壓源，其幅值不會隨輸人電壓變化而改變，因此負(fù)載限流閾值受輸人電壓變化影響相對較小。此外，如果在控制上引入限流環(huán)，在過流的情況下限流環(huán)起作用使輸出電壓降低，從而可以進(jìn)一步限制電流上升。因此，本文提出的LLC諧振變流器具有更好的限流性能。而且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)諧振電路參數(shù)，限流閾值變化窗口可以進(jìn)一步得到優(yōu)化。下文將分析如何優(yōu)化選擇諧振電路參數(shù)。
在LLC諧振變流器中，正常工作頻率范圍主要與Lm和Lr的比值有關(guān)，表示如下：
式中：Lm 是主變壓器的激磁電感量；Lr是諧振電感量； f r是諧振頻率，從電路優(yōu)化工作的角度考慮通常會選擇額定工作情況下（輸入電壓高端，滿載）的電路工作頻率為諧振頻率fr；fmin是電路的最低工作頻率，出現(xiàn)在最低輸入電壓處。
根據(jù)式（1），可以得到開關(guān)頻率變化范圍與Lm/Lr的關(guān)系曲線如圖2所示。可以看出Lm /LI的比值越小，工作頻率變化范圍越窄。
另一方面，由于限流是通過對諧振電容的電壓進(jìn)行鉗位實(shí)現(xiàn)的，因此限流閾值變化窗口與諧振電容的電壓變化相關(guān)。為了得到較好的限流效果，要求諧振電容電壓變化范圍越窄越好。易推出諧振電容電壓變化范圍與變流器的工作頻率相關(guān)：
式中：n是主變壓器原副邊匝比；Vcmax是諧振電容兩端電壓峰值的最大值，出現(xiàn)在最低輸入電壓時(shí)；Vcmin是諧振電容兩端電壓峰值的最小值，出現(xiàn)在最高輸人電壓時(shí)。
根據(jù)式（2），可以得到諧振電容電壓與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線如圖3所示。
由圖3可知9 Vcmax /Vcmin隨fmin/，fr增大而減小。結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)，如果Lm /Lr越小，則電路正常工作頻率變化范圍越窄，諧振電容Cr上電壓變化也越小，從而可以得到較窄的限流閾值變化窗口。
本文提出的LLC諧振變流器另一個(gè)較突出的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在當(dāng)短路情況發(fā)生時(shí)其固有的限流特性，特別是當(dāng)在控制上結(jié)合變頻方法時(shí)。當(dāng)短路情況發(fā)生時(shí)，輔助變壓器T2副邊被短路，得到本文提出的LLC諧振變流器的等效電路見圖4。為便于比較，得到傳統(tǒng)的LLC諧振變流器在短路情況下的等效電路如圖5所示?？梢钥闯銮罢叩牡刃Щ芈纷杩篂閱尾穫€(gè)電感，而后者是電感和電容組成的諧振單元。計(jì)算可知，當(dāng)頻率高于諧振頻率時(shí)前者的等效回路阻抗遠(yuǎn)大于后者，因此短路電流也遠(yuǎn)小于后者。
三、計(jì)算與仿真分析
對一個(gè)輸出為110 V/10 A的電力操作電源應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析，其中電路指標(biāo)如下：輸入電壓300V～400 V；輸出電壓110 V；輸出電流10 A；正常工作頻率150 kHz-200 kHz。
根據(jù)上文的分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)諧振參數(shù)過程如下：
1．設(shè)定諧振電容電壓峰值為260 V，可以計(jì)算出諧振電容約為44 nF；
2．根據(jù)諧振電容值以及諧振頻率，可以計(jì)算出諧振電感約為13.5μH；
3．根據(jù)正常工作開關(guān)頻率范圍由圖2查到Lm/Lr 為3.393，從而計(jì)算出變壓器激磁電感約為54μH。
電路中的其他參數(shù)設(shè)計(jì)過程與傳統(tǒng)LLC諧振變流器類似，可以參考文獻(xiàn)，這里不再詳述。計(jì)算出的主要參數(shù)以及根據(jù)計(jì)算的參數(shù)選定的主要半導(dǎo)體器件型號如下：變壓器匝比為9：5：5；變壓器磁心為EE42C；變壓器激磁電感Lm為54μH；諧振電感磁心為RM10；諧振電感Lr為13.5μH；諧振電容Cr為44 nF；輔助變壓器匝比為14：5：5；輔助變壓器磁心為RM10；D3，D4為MBR2030PT；原邊開關(guān)管為IRFP22N50；D1，D2為MBR3030PT。
圖6是計(jì)算的短路情況下的平均輸出電流與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線。由圖中可以看出，假設(shè)平均輸出龜流限制在12.5 A，傳統(tǒng)的LLC諧振變流器工作頻率需要增加到385 kHz，而本文提出的LLC諧振變流器只需要增加到265 kHz，這意味著電路最大的開關(guān)頻率得到了大幅降低。
本文提出的LLC諧振變流器在額定輸入電壓（400 V）下短路時(shí)的saber仿真波形如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)開關(guān)頻率在265 kHz時(shí)平均輸出電流約為11.92 A。計(jì)算與仿真之間的差異主要是由于仿真時(shí)多考慮了線路上的一些寄生參數(shù)。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)上述的理論計(jì)算和仿真分析，制造了一臺輸出為110 V/10 A電力操作電源樣機(jī)，用來驗(yàn)證本文提出的LLC諧振變流器的性能，電路指標(biāo)、主要參數(shù)與主要元器件選擇與計(jì)算、和仿真時(shí)的參數(shù)相同。
測量出正常工作模式下的主要波形如：圖8～圖11所示。圖8和圖9分別是300 V輸人電壓情況下正常工作時(shí)測量的諧振電容電壓波形和原邊的電流波形。
圖10和圖11分別是400 V輸人情況下正常工作時(shí)測量到的諧振電容電壓波形和原邊的電流波形。根據(jù)波形可以看出，Vcmax/Vcmin約為1.67，而f min/ f max約為0.75，與圖2和圖3所計(jì)算出的曲線值基本一致。
圖12所示是400 V輸人時(shí)短路情況下測得的諧振電容兩端的電壓波形和原邊電流波形。將原邊電流折算到副邊計(jì)算出輸出平均電流約為12 A，與理論計(jì)算及仿真結(jié)果基本符合。
表1所示是測量的效率，可以看出，盡管對電路參數(shù)的優(yōu)化主要是針對限流保護(hù)進(jìn)行考慮的，仍可以獲得很高的效率。
五、結(jié)語
本文提出和研究了一種新型的具有自限流功能的LLC諧振變流器拓?fù)?，其良好的自限?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/功能">功能使得即使在短路情況發(fā)生時(shí)也能有效地限制電路電流，防止電路元器件損壞。結(jié)合LLC諧振變流器自身適用于高輸出電壓的優(yōu)點(diǎn)，該拓?fù)溆绕溥m用于電力操作電源等工業(yè)應(yīng)用場合。本文對電路參數(shù)的優(yōu)化選擇進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，為優(yōu)化變流器限流性能提供了理論依據(jù)。
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在發(fā)電廠和變電站中，供給二次回路的直流電源稱為電力操作電源。電力操作電源主要用于向控制、保護(hù)、信號、自動裝置回路以及操動機(jī)械和調(diào)節(jié)機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)供電，同時(shí)還作為獨(dú)立的事故照明電源。目前發(fā)電廠和變電站普遍應(yīng)用的操作電源是硅整流型操作電源（又稱相控式操作電源），它采用硅整流型充電裝置對蓄電池充電，由蓄電池向二次回路提供不間斷的直流電源。但這種電源存在許多缺陷，如充電裝置效率差、穩(wěn)壓穩(wěn)流精度低、紋波大、電池保持容量低、壽命短等。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的硅整流型電源正在逐漸被高頻開關(guān)電源取代。高頻開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、電氣性能好等許多優(yōu)點(diǎn)。此外，由于高頻開關(guān)電源采用模塊化結(jié)構(gòu)和n+1備份方式，使電源裝置的可靠性得到大大提高。
在高頻開關(guān)電源的LLC諧振變流器的LLC諧振變流器的具有一些優(yōu)越的性能，例如可以實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管在全負(fù)載下的零電壓軟開關(guān)（ZVS），副邊整流二極管電壓應(yīng)力低，因此高輸出電壓應(yīng)用情況下可以實(shí)現(xiàn)較高的效率等。這些優(yōu)點(diǎn)使得LLC諧振變流器特別適合高輸出電壓的應(yīng)用場合，如電力操作電源等。
但是LLC諧振變流器的拓?fù)湓趹?yīng)用中還存在一些實(shí)際問題，其中一個(gè)主要問題是當(dāng)出現(xiàn)電路啟動、負(fù)載過流或短路情況時(shí)如何限制電路中的電流以防止電路損壞。針對這個(gè)問題，已有若干種解決方案，如直接屏蔽控制芯片驅(qū)動信號、直接升頻控制、升頻控制結(jié)合脈寬調(diào)制（PWM）控制和加鉗位二極管的變結(jié)構(gòu)LLC拓?fù)涞取５陨戏椒ǘ即嬖诟髯缘娜秉c(diǎn)，如直接升頻控制會導(dǎo)致開關(guān)頻率過高、開關(guān)關(guān)斷損耗增大；升頻控制結(jié)合PWM會導(dǎo)致開關(guān)管失去軟開關(guān)條件；加鉗位二極管的變結(jié)構(gòu)LLC拓?fù)涞南蘖鏖y值受輸入電壓影響較大，在高端輸入電壓下限流效果差。為此，本文提出一種新型的具有自限流的LLC諧振變流器拓?fù)洹?BR>
二、理論分析
如圖1所示，本文提出的LLC拓?fù)潆娐分饕Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的LLC諧振變流器相同，只增加了一個(gè)小功率變壓器T2以及2個(gè)二極管D3和D4。具體工作原理簡單描述如下：正常工作下，輔助電路不起作用，電路工作與傳統(tǒng)的LLC諧振電路相同。當(dāng)過流或短路情況出現(xiàn)時(shí)，諧振電容兩端電壓升高。當(dāng)該電壓上升到折算到變壓器T2副邊超過輸出電壓時(shí)，二極管D3和D4交替導(dǎo)通，諧振電容電壓被鉗位，從而諧振電流也被鉗位，此時(shí)諧振電容等效成一個(gè)電壓源。由于本文提出的拓?fù)鋵χC振電容鉗位的電壓源是輸出電壓源，其幅值不會隨輸人電壓變化而改變，因此負(fù)載限流閾值受輸人電壓變化影響相對較小。此外，如果在控制上引入限流環(huán)，在過流的情況下限流環(huán)起作用使輸出電壓降低，從而可以進(jìn)一步限制電流上升。因此，本文提出的LLC諧振變流器具有更好的限流性能。而且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)諧振電路參數(shù)，限流閾值變化窗口可以進(jìn)一步得到優(yōu)化。下文將分析如何優(yōu)化選擇諧振電路參數(shù)。
在LLC諧振變流器中，正常工作頻率范圍主要與Lm和Lr的比值有關(guān)，表示如下：
式中：Lm 是主變壓器的激磁電感量；Lr是諧振電感量； f r是諧振頻率，從電路優(yōu)化工作的角度考慮通常會選擇額定工作情況下（輸入電壓高端，滿載）的電路工作頻率為諧振頻率fr；fmin是電路的最低工作頻率，出現(xiàn)在最低輸入電壓處。
根據(jù)式（1），可以得到開關(guān)頻率變化范圍與Lm/Lr的關(guān)系曲線如圖2所示。可以看出Lm /LI的比值越小，工作頻率變化范圍越窄。
另一方面，由于限流是通過對諧振電容的電壓進(jìn)行鉗位實(shí)現(xiàn)的，因此限流閾值變化窗口與諧振電容的電壓變化相關(guān)。為了得到較好的限流效果，要求諧振電容電壓變化范圍越窄越好。易推出諧振電容電壓變化范圍與變流器的工作頻率相關(guān)：
式中：n是主變壓器原副邊匝比；Vcmax是諧振電容兩端電壓峰值的最大值，出現(xiàn)在最低輸入電壓時(shí)；Vcmin是諧振電容兩端電壓峰值的最小值，出現(xiàn)在最高輸人電壓時(shí)。
根據(jù)式（2），可以得到諧振電容電壓與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線如圖3所示。
由圖3可知9 Vcmax /Vcmin隨fmin/，fr增大而減小。結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)，如果Lm /Lr越小，則電路正常工作頻率變化范圍越窄，諧振電容Cr上電壓變化也越小，從而可以得到較窄的限流閾值變化窗口。
本文提出的LLC諧振變流器另一個(gè)較突出的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在當(dāng)短路情況發(fā)生時(shí)其固有的限流特性，特別是當(dāng)在控制上結(jié)合變頻方法時(shí)。當(dāng)短路情況發(fā)生時(shí)，輔助變壓器T2副邊被短路，得到本文提出的LLC諧振變流器的等效電路見圖4。為便于比較，得到傳統(tǒng)的LLC諧振變流器在短路情況下的等效電路如圖5所示?？梢钥闯銮罢叩牡刃Щ芈纷杩篂閱尾穫€(gè)電感，而后者是電感和電容組成的諧振單元。計(jì)算可知，當(dāng)頻率高于諧振頻率時(shí)前者的等效回路阻抗遠(yuǎn)大于后者，因此短路電流也遠(yuǎn)小于后者。
三、計(jì)算與仿真分析
對一個(gè)輸出為110 V/10 A的電力操作電源應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析，其中電路指標(biāo)如下：輸入電壓300V～400 V；輸出電壓110 V；輸出電流10 A；正常工作頻率150 kHz-200 kHz。
根據(jù)上文的分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)諧振參數(shù)過程如下：
1．設(shè)定諧振電容電壓峰值為260 V，可以計(jì)算出諧振電容約為44 nF；
2．根據(jù)諧振電容值以及諧振頻率，可以計(jì)算出諧振電感約為13.5μH；
3．根據(jù)正常工作開關(guān)頻率范圍由圖2查到Lm/Lr 為3.393，從而計(jì)算出變壓器激磁電感約為54μH。
電路中的其他參數(shù)設(shè)計(jì)過程與傳統(tǒng)LLC諧振變流器類似，可以參考文獻(xiàn)，這里不再詳述。計(jì)算出的主要參數(shù)以及根據(jù)計(jì)算的參數(shù)選定的主要半導(dǎo)體器件型號如下：變壓器匝比為9：5：5；變壓器磁心為EE42C；變壓器激磁電感Lm為54μH；諧振電感磁心為RM10；諧振電感Lr為13.5μH；諧振電容Cr為44 nF；輔助變壓器匝比為14：5：5；輔助變壓器磁心為RM10；D3，D4為MBR2030PT；原邊開關(guān)管為IRFP22N50；D1，D2為MBR3030PT。
圖6是計(jì)算的短路情況下的平均輸出電流與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線。由圖中可以看出，假設(shè)平均輸出龜流限制在12.5 A，傳統(tǒng)的LLC諧振變流器工作頻率需要增加到385 kHz，而本文提出的LLC諧振變流器只需要增加到265 kHz，這意味著電路最大的開關(guān)頻率得到了大幅降低。
本文提出的LLC諧振變流器在額定輸入電壓（400 V）下短路時(shí)的saber仿真波形如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)開關(guān)頻率在265 kHz時(shí)平均輸出電流約為11.92 A。計(jì)算與仿真之間的差異主要是由于仿真時(shí)多考慮了線路上的一些寄生參數(shù)。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)上述的理論計(jì)算和仿真分析，制造了一臺輸出為110 V/10 A電力操作電源樣機(jī)，用來驗(yàn)證本文提出的LLC諧振變流器的性能，電路指標(biāo)、主要參數(shù)與主要元器件選擇與計(jì)算、和仿真時(shí)的參數(shù)相同。
測量出正常工作模式下的主要波形如：圖8～圖11所示。圖8和圖9分別是300 V輸人電壓情況下正常工作時(shí)測量的諧振電容電壓波形和原邊的電流波形。
圖10和圖11分別是400 V輸人情況下正常工作時(shí)測量到的諧振電容電壓波形和原邊的電流波形。根據(jù)波形可以看出，Vcmax/Vcmin約為1.67，而f min/ f max約為0.75，與圖2和圖3所計(jì)算出的曲線值基本一致。
圖12所示是400 V輸人時(shí)短路情況下測得的諧振電容兩端的電壓波形和原邊電流波形。將原邊電流折算到副邊計(jì)算出輸出平均電流約為12 A，與理論計(jì)算及仿真結(jié)果基本符合。
表1所示是測量的效率，可以看出，盡管對電路參數(shù)的優(yōu)化主要是針對限流保護(hù)進(jìn)行考慮的，仍可以獲得很高的效率。
五、結(jié)語
本文提出和研究了一種新型的具有自限流功能的LLC諧振變流器拓?fù)?，其良好的自限?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/功能">功能使得即使在短路情況發(fā)生時(shí)也能有效地限制電路電流，防止電路元器件損壞。結(jié)合LLC諧振變流器自身適用于高輸出電壓的優(yōu)點(diǎn)，該拓?fù)溆绕溥m用于電力操作電源等工業(yè)應(yīng)用場合。本文對電路參數(shù)的優(yōu)化選擇進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，為優(yōu)化變流器限流性能提供了理論依據(jù)。
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