一種LLC諧振變換器的直流端二次紋波抑制方法

1、一種LLC諧振變換器的直流端二次紋波抑制方法1.引言全球電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用也日益廣泛，這使得電池 充電裝置成為研究熱點(diǎn)1。兩級(jí)式AC-DC-DC變換器具有控制靈活，能同時(shí)兼顧電池充電 性能和電網(wǎng)電能質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電池充電場(chǎng)合2，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。如圖1所示，單相AC-DC變換器的瞬時(shí)輸出功率中含有兩倍電網(wǎng)頻率的交流分量3， 這個(gè)脈動(dòng)頻率會(huì)對(duì)DC-DC變換器的輸出造成影響4。文獻(xiàn)基于DC-DC變換器線性交流 小信號(hào)模型研究了低頻紋波的產(chǎn)生及傳遞機(jī)理。文獻(xiàn)6在文獻(xiàn)5的基礎(chǔ)上，提出了一種基 于電流反向增益?zhèn)鬟f函數(shù)的方法來分析電流低頻紋波問題。電池對(duì)充電電

2、壓精度要求很高7。因此，在前級(jí)為單相的兩級(jí)式AC-DC-DC變換系統(tǒng) 中，必須對(duì)二倍頻紋波進(jìn)行抑制，以保證輸出電壓的高精度和低紋波。文獻(xiàn)6總結(jié)了對(duì)兩 級(jí)式AC-DC-DC變換器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制抑制二倍頻功率波動(dòng)的方法，包括：(1)由第三方儲(chǔ)能 裝置提供二倍頻脈動(dòng)功率8，這種方法增加了變換器和電路端口，使電路本身和控制均較 為復(fù)雜，也增加了系統(tǒng)的體積和成本。 (2)由電池提供，文獻(xiàn)9通過約束燃料電池輸出阻抗 來滿足較嚴(yán)格的紋波限制，實(shí)際應(yīng)用有一定局限性。 (3)允許該脈動(dòng)功率出現(xiàn)在中間直流母 線，由儲(chǔ)能元件提供。方式(3)可分為無源和有源兩類，文獻(xiàn)10中采用較大的電解電容來平 滑母線電壓波動(dòng)，增加了

3、系統(tǒng)體積和重量。文獻(xiàn)11在電路中插入LC諧振網(wǎng)絡(luò)，用于平衡 脈動(dòng)功率，可以有效減小中間母線電容值，但由于加入了額外電感，系統(tǒng)體積和重量仍會(huì)受 限。文獻(xiàn)中采用平均電流控制對(duì)DC末端電流二次紋波進(jìn)行了抑制，但紋波抑制效果依 賴于變換器控制帶寬的設(shè)計(jì)6。本文基于信號(hào)調(diào)制解調(diào)的思想，以LLC諧振變換器為研究對(duì)象，分析了二次紋波電壓 在DC-DC變換器中的傳遞機(jī)理。采用了 PI+PR控制器對(duì)LLC諧振變換器輸出電壓的二次 紋波進(jìn)行了抑制，使輸出電壓整體紋波幅值減小，從而能夠在不增加直流母線電容的前提下， 改善了電池充電電壓質(zhì)量。2.LLC 諧振變換器中二次紋波的傳遞全橋LLC諧振變換的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示

4、。其中，vdc為直流母線電壓，v2為直流母 線上的二次紋波，vo為輸出電壓。Lr和Cr分別為諧振電感和諧振電容。T為降壓變壓器， 其變比為np: ns1: ns2,其中ns1= ns2, Lm是變壓器勵(lì)磁電感。S1， S2, S3和S4為開關(guān)管， D1 和 D2 為輸出整流二極管。 Co 為輸出濾波電容。 Ro 為電阻負(fù)載。1.1 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)對(duì)二次紋波的影響設(shè)LLC諧振變換器的直流母線上二次紋波電壓的表達(dá)式為：v:(r) = V、siii2r梵中坯為二次紋波誦值，成示電網(wǎng)角頻率Q 輸入匕（f）經(jīng)過開關(guān)電路，可等效為個(gè)頻率為L(zhǎng)LC諧按變換器開關(guān)頻率人幅值為1的正負(fù)方波信 號(hào)$0）對(duì)巾（F）逬行采樣

5、“方波信號(hào)s（）的喪達(dá)式為二1S1S=-12Z-/i變成r(2fc+7)ft)52(iB根據(jù)以上分析.開關(guān)網(wǎng)絡(luò)對(duì)100Hz的低頻信號(hào)進(jìn) 行J高頻調(diào)制，二次紋波分雖被調(diào)制到了開關(guān)頻率及 更高頻段。1.2諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)二次紋波的影響LLC諧振變換器有兩個(gè)諧振頻率，-個(gè)是由諧振 電感厶與諧振電容G構(gòu)成的諧振頻率忌-個(gè)是由i皆 振電感厶和勵(lì)磁電感Zm之和與諧振電容G構(gòu)成的諧 振頻率九，顯然有K苗LLX諧掠變換器通常工作 在高于名的高頻段,隨若開關(guān)頻率云的增加，變換器 的増益逐漸下降，起到調(diào)壓的作用。根據(jù)LLC諧扳網(wǎng)絡(luò)的阻抗分壓關(guān)系，可得到其傳 遞函數(shù)為=q(s =門1比白丄點(diǎn)乜&十ZJ十込乂2其幅頻特性為

6、：|g(j)| =f |g(j)| =f 譏(人 +(1一l 丿其中n=n7:地1二二刀p：仏根據(jù)LLC諧撮變換器幅頻 持性可胸出其工作頻段的諧振網(wǎng)絡(luò)增益頻率特性曲 線，如圖3所示。圏5 LLC諧撿網(wǎng)路增益-頻率特枚曲線根據(jù)諧振網(wǎng)絡(luò)的增益-頻率持性，當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)輸入 信號(hào)的預(yù)率很高時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)其增益很小。Y“（f）是諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入，它所含有的信號(hào)頻率為 （肚+Dc込土加I，kQo當(dāng)1時(shí)，（2HJ）2高于諧振頻率3倍及 以上，諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)它熠益可近似看為S當(dāng)用=0時(shí)，（2AH）s23i = d 2切，可以認(rèn)為 諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻率為処2gj的信號(hào)的增益為丄）,因 為L(zhǎng)LC：諧掘變換器的開關(guān)頻率很高 土

7、2 （100Hz） 的偏移影響不大。因此，諧振網(wǎng)絡(luò)端口輸出電M滄的衣達(dá)式為： 必（Z）冬二cos（ -cos（ 斗2）7（7）可見，諧撮網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入信號(hào)起到濾波和調(diào)用的 作用.濾除了遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)頻率的高頻信號(hào)，對(duì)于諧振 點(diǎn)頻率附近的信號(hào)，能夠根據(jù)其頻率調(diào)整其電壓増益1.3整流電路和輸出濾波電容對(duì)二次紋波的影響 諧振網(wǎng)絡(luò)的輸出2足變壓簽和整流網(wǎng)絡(luò)的輸 入a變壓器的變比M=p: wsi=p:雄c LLC諧振變換 器的整流網(wǎng)絡(luò)中.二極管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)序與開關(guān)網(wǎng) 絡(luò)妊-致的I刃此滄經(jīng)過開關(guān)電路.也可等效為 個(gè)頻率為變換器開關(guān)頻率云，幅值為1的正負(fù)方波信 號(hào)s(r)對(duì)其進(jìn)行采樣。由此可得到整流網(wǎng)絡(luò)端口輸出電

8、壓勸的衣達(dá)式 為：= 竺$)兀 sill 2 珂r(9)njv可見輸出濾波電容的作用類似于信號(hào)解調(diào)，還原 了二次紋波。由以上的分析可知.二次紋波在全橋LLC諧振變 換器中的傳遞類似于個(gè)信號(hào)調(diào)制和無調(diào)的過程。二 倍頻紋波首先被開關(guān)網(wǎng)絡(luò)調(diào)制到島頻段.經(jīng)過諧振網(wǎng) 絡(luò)調(diào)壓后,整流網(wǎng)絡(luò)又對(duì)其進(jìn)行調(diào)制.最后崗頻信號(hào) 彼輸出濾波電容吸收，原有的二倍頻信號(hào)被還原。開 關(guān)網(wǎng)絡(luò)，整流網(wǎng)絡(luò)和輸岀濾波電容對(duì)輸入信號(hào)起到r 頻率搬移的作用。3.基于PRPR控制的二次紋波抑制不考慮控制的影響.根據(jù)(9式進(jìn)行it算，若血 詭母線上含有10V的二次紋波時(shí).當(dāng)丿似)最大.即為 1時(shí)，輸出電圧上的二次紋波幅值計(jì)算值為：(10)

9、n兀可見顫母箋上的一次紋波會(huì)對(duì)輸出電壓造成較大訥J。電也對(duì)充電電壓榷度和紋渋妾來較高J媲電翹 為例，均曲充電終止電壓誤差俗會(huì)牛致壽命變化1/山容量變化聊7,這就對(duì)充電裝這的輸出電壓楕妾和紋液 提出了絞高要求./抑制輸出電壓上的二次紋波.控制器應(yīng)能夠較好地?fù)醽兞鞣由隙渭y波的找動(dòng).這就要求控制器對(duì)二 汶紋波電足夠的増益.P：控制無法很好地襯二諛紋波進(jìn)行抑制，本文采月在煩電PI茫制器基礎(chǔ)上加入P宓制的 方法來抑制輸出則二次紋液.I I I I Illi I I I II Illi I I Illi 一-I+14Hll444+l 略 -H II1111 rmLJJ TITTrttt milI I H

10、ill4C10Cmi L i丄Lili iIII/!rTi-ninI I I I Illi I I I II Illi I I Illi 一-I+14Hll444+l 略 -H II1111 rmLJJ TITTrttt milI I Hill4C10Cmi L i丄Lili iIII/!rTi-nin11 miI Illi nnr i iiiiri II III 4-+4+I+I i min T-rtmti i iiiin TTTTriTl i i 111 illIDIIII -UJU 7JIII I Illi ri-mn一丁 rrm i i 11111T1io3I I I Hill 4-4

11、-4+H4 I I I Hill TFTtrrI I HillII Hill 丄LUI Hill 44H4I Hill nnu liiii iTm iiii10m 5所示為諧扳頻申300Hz的PR推制器的幅頻 恃性曲線。PR捽J器在諧振頻冷處增益很烏.而在非 諧扳處增益很小可利用此恃性捉舄100Hz處的博益.加強(qiáng)對(duì)輸入亡流母線】次諧波的抗擾動(dòng)能力.抑制輸 出電用的 次紋波PR控制器的傳遞函數(shù)為：G,(s) =2grsG,(s) =2grs十 2s+(2絢)(ID菽中懇衣征J諧振頻皋處的増益，人越大，諧振 頻率處的增益越大.址衣征了諧振點(diǎn)頻帶.Q越大. 諧抜點(diǎn)頻帝毬寬。Q冋時(shí)也農(nóng)征丫 PR揑制器

12、的調(diào)節(jié) 速度，錢越大，PR控制器的調(diào)節(jié)速度越快c不同于逆 變益擰制.LLC諧按變換器中所含有的低頻紋液成分 并不豐富.主妥姥直沆雖:和二次紋漩分雖：，I刃此他町 以取較犬，以提髙挖制器響應(yīng)速度.不會(huì)像逆變備控 制可能會(huì)枚明顯地彩響其他次諧波。最終所采用的PI+PK擰制器的代遞函數(shù)為：G(s)5 亠 G(s)5 亠 2es 十2。）4.試驗(yàn)結(jié)果分析搭建了 臺(tái)兩級(jí)式AGDGDC變換的充屯裝置. 其中后級(jí)LLC諧抿變換器的電路參數(shù)如衣1所示。式計(jì)算，匕 = xlOO% 式計(jì)算，匕 = xlOO% 2VC直流母線電壓您3C0V直流母線電客0lOSiuF諧採電感厶30uH諧振電容G27 2nF變斥器【幣

13、比W-194:4變忌器勵(lì)做電感Zm100uH額定輸出電圧80V額定功半P2.4kV(13)求1.社路參數(shù)和控刮參坡具中北犬輸出電壓，為輸出電壓紋波紋波峰峰值，則譏/ 2為紋波嗚值。采用Saber欽件塔建圖2所示電路的模型汪行優(yōu)真，在直壺母線丄串聯(lián)了幅值為10頻率為KOiz的交益已 壓源以模槪二次纟文浪。為驗(yàn)證前醞分析的二諛咬波電壓信迅關(guān)系.首失進(jìn)行開環(huán)仿真.LL理路的諧扳瑟數(shù)是按照開主頗率等于 諧撮頻率時(shí)疥顱定輸出電玉來設(shè)計(jì)的，因此可以認(rèn)為頷定輸曲加仏）近似為:L麼6所示為輔出電壓為頜定 時(shí)的宜流母線電壓和輸出屯壓波形及對(duì)應(yīng)的FFT分析其中，F(xiàn)FT分析1給出的是不司頻率信弓的喝值。曰輸出電莊的

14、肝吩析得到，二次絞泱的幅值為21酣，比計(jì)商得到的1. 71.造戒差異的原因是由于在 分析過程屮做了一些近似假設(shè)，實(shí)際二衣紋潑嗯値應(yīng)比理論計(jì)舜僵偏九.為驗(yàn)證P廐制對(duì)二次紋技笊抑制效果，分別進(jìn)行PI控制和幵咗制的仿真，得到輸出電壓的液彫及其FFT 分析如圖7所示。(V) ui410.0(V) ： VWTOO.(V) ui410.0(V) ： VWTOO.(a)直流母線電壓及FFT分析1 ! !平郁4 、f T、r、f a冋 iA,VIu V1 !VV1(b)輸出電尿及FFT分析圖7開環(huán)仿真結(jié)果由血環(huán)結(jié)果可看出,PI控的輸出電壓膠波USHl.SlV.線渡百分比切”26知不滿足要求.PI控制對(duì)交 肩信

15、號(hào)不能枚刮無靜差眼蹤，因itF丄控制器訟致履的抑制敘具不明顯.F_+P電制的輸出電丘欽劇畐值為 U.b4V；統(tǒng)祓匚方比加上味淋足要軋列升門工具站二于卜斤可剜比控制輸二電壓口二空紋夜方星的唯直 l.cl7, FI廳缶制猶B屯壓中二次示很;）壘B幅匡氷.応譏可見F： PFItJ可戸隸地拆制LL渭扼變換誥 輪出電佳的一枝紋滾肌南懺蘭的輸土屯莊?怎RE頊辻到芟求.心）鞏碎制筍出電壓出FFT分析 Ifr心）鞏碎制筍出電壓出FFT分析 IfrT fi： Cll 1T2V*! I k 4*- loJ-OHi： ! i（b） PT+F尺拎制輸出電床肚FFT分桁罔g閉環(huán)挖制苗真結(jié)果5.結(jié)論訂）基于信號(hào)調(diào)制眸詢的

16、忍想，研宛了二亡紋技電，玉在LUJ諸孤變換龍中的傳詛機(jī)理：分卜斤了幵天朋纟金憎 扼園絡(luò)，整流例絡(luò)和輸出濾波對(duì)二住紋陜的孝臨，并推導(dǎo)r定壘關(guān)系恚達(dá)式來比巴+陽抨胡増站.押制器對(duì)二詫敦液冊(cè)睫找曲第力對(duì)瀟片豐斥二K紋淺耳停月簾劑制斂臭傅 輸出屯&澈舷荷足要貳參考文獻(xiàn)1 Viswanathan, V. V., Kintner-Meyer, M. “Second Use of Transportation Batteries: Maximizing the Value of Batteries for Transportation and Grid Services,” IEEE Transaction

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