Çift döngülü kontrol-AET'ye dayalı LLC dönüştürücünün performans optimizasyonu
0 Önsöz
Anahtarlamalı güç kaynakları yüksek frekanslı olma eğilimindeyken, yüksek performanslı dönüştürücü topolojileri ortaya çıkmıştır. LLC rezonant dönüştürücüler, bir tür yumuşak anahtarlamalı güç kaynağı topolojileri olarak, yalnızca geniş bir giriş voltajı altında yumuşak anahtarlama elde etmekle kalmaz, aynı zamanda yüksek performansa da sahiptir. Dönüşüm verimliliği, farklı çalışma frekanslarında değişken voltaj kazancı, şu anda en umut verici dönüştürücü topolojilerinden biridir ve anahtarlama güç kaynakları ve iletişim güç kaynakları gibi yüksek frekanslı güç kaynağı alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Şu anda, daha genel yumuşak anahtarlamalı güç kaynağı topolojileri arasında faz kaydırmalı tam köprülü PWM dönüştürücüler ve LLC rezonans dönüştürücüler bulunmaktadır. Literatür, geniş giriş voltajı durumları için uygun olan üç seviyeli bir ZVS PWM dönüştürücü önermektedir, ancak giriş voltajı arttıkça döngü akımı artarak tüm devrenin verimliliğinde bir düşüşe neden olur. Üç seviyeli LLC serisi rezonans dönüştürücü, yumuşak anahtarlama durumunda dar bir voltaj düzenleme aralığına sahiptir.Geniş bir voltaj kazanımı aralığı elde etmek için, literatür bir faz kaydırma kontrolü ve frekans modülasyonu hibrit kontrol stratejisi önerir, ancak verimlilik, hafif yükte düşüktür ve Anahtarlama frekansı arttıkça, ikincil kaçak endüktans, giriş ve çıkış voltaj kazancı üzerinde ihmal edilemez bir etkiye sahiptir. Literatür, yüksek anahtarlama frekanslarında modelin doğruluğunu artırmak için yarı köprü LLC serisi rezonans dönüştürücü temelinde ikincil kaçak endüktansı birleştirir.
Bu makale asimetrik darbe genişlik modülasyonunu kullanır, kontrol sistemi güç kontrol döngüsü ve frekans izleme döngüsü, güç düzenleme olarak asimetrik darbe genişlik modülasyonu (APWM), frekans izleme kontrolü olarak faz kilitli döngü (PLL) kullanır. Aynı zamanda, yüksek anahtarlama frekanslarında modelin doğruluğunu artırmak için ikincil kaçak endüktans birleştirilir.
1 LLC serisi rezonans dönüştürücü çalışma modu
Şekil 1, üç seviyeli bir yarı köprü LLC serisi rezonant dönüştürücünün eşdeğer devre modelini göstermektedir.Birincil tarafta, bir rezonant endüktörü Lr paylaşan iki yarım köprü LLC, seri olarak bağlanmıştır, böylece her bir anahtar üzerindeki voltaj, giriş voltajında kelepçelenir. Yarım; ikincil taraf bir voltaj katlayıcı redresördür, Ls, lk trafo sekonder tarafının kaçak endüktansıdır. Yarım köprü LLC serisi devrelerin her bir grubunda, üst anahtarlama tüpleri Q1 ve Q3, aynı anda sabit bir görev döngüsü ile çalıştırılır ve alt anahtarlama tüpleri Q2 ve Q4, üst anahtarlama tüplerini tamamlamak için açılır.
Üç seviyeli yarım köprü LLC serisi rezonans dönüştürücünün iki aşamalı kontrol döngüsü altındaki çalışma dalga formu Şekil 2'de gösterilmektedir ve yüksek verimli çıktı, görev döngüsü kontrol edilerek elde edilir.
Her anahtarlama döngüsü 6 aşamaya bölünmüştür Şekil 3, dönüştürücünün pozitif yarım döngü çalışma devresini göstermektedir.
Aşama 1: t0, Q1 ve Q3 sıfır gerilimde açıldığında, Lr ve Cr1 ve Cr2 aynı anda rezonans yapar, rezonant indüktör Lr'den akan akım iLr kademeli olarak artar, transformatörün birincil tarafındaki voltaj nU0'da kelepçelenir ve mıknatıslayıcı endüktans yoluyla iLm akımı pozitif Doğrusal olarak artırmak için, bu aşamadaki akım şu şekilde ifade edilir:
Aşama 2: t1, iLr (t) = iLm (t) anında D1 sıfır akımla kapatılır, mıknatıslama endüktansı rezonansa katılır ve transformatörün birincil tarafından ikincil tarafa enerji aktarılmaz ve yük gücü çıkış kondansatörü tarafından sağlanır. Dönem akımı şu şekilde ifade edilebilir:
Aşama 3: t2, Q1 ve Q3 kapatıldığında, Q1 ve Q3'teki voltaj 0'dan doğrusal olarak artar, Q2 ve Q4'teki voltaj, Q1 ve Q3 arasındaki voltaj olduğunda Vin / 2'den iLm'ye (t2) düşer. Vin / 2'de ikincil taraf D2 açılır, Lr Cr1 ve Cr2 ile rezonansa girer ve Q2 ve Q4 t3'te sıfır gerilimde açılır. Bu aşamadaki akım şu şekilde ifade edilir:
Aşama 4 ila 6'nın çalışma prensipleri ve çalışma devreleri sırasıyla 1 ila 3 aşamalarındakilere benzer ve alan sınırlamaları nedeniyle tekrarlanmayacaktır.
2 LLC dönüştürücü iki aşamalı kontrol stratejisi
Normalde verimlilik, dönüştürücünün voltaj dönüştürme oranına bağlıdır. Rezonans frekansında, LLC dönüştürücünün voltaj dönüştürme oranı yalnızca transformatörün dönüş oranıyla ilgilidir. Bununla birlikte, sabit frekans nedeniyle, iletim kaybının ihmal edilebilir hale geldiği hafif yük koşullarında, toplam kayıpta demir kaybı hakimdir. Bu nedenle, hafif yük verimliliğini artırmak için transformatör çekirdek kaybını azaltmak esastır.
Bu makale, güç döngüsü olarak değişken frekans asimetrik darbe genişlik modülasyonu ile ve hafif yük verimliliğini artırmak için çıkış gücünü değiştirmek için görev döngüsünü ayarlayarak iki seviyeli bir kontrol mimarisi benimser; Faz kilitli döngü döngüsü, rezonans frekansını izlemek için frekans döngüsü olarak kullanılır. Kontrol yapısının çerçeve diyagramı Şekil 4'te gösterilmektedir.
3 Güç halkası tasarımı
Yumuşak komütasyon tam yük koşulu altında, ikincil yan doğrultucu diyotun yüksek ters voltajı, ikincil sızıntı endüktansındaki büyük voltaj değişikliğinden kaynaklanır. Bu makale, LLC rezonans dönüştürücü modelini iyileştirmek için ikincil kaçak endüktansı birleştirir ve faz 1 giriş ve çıkış voltajı kazancını ve rezonans devre empedansını analiz etmek için gelişmiş FHA modelini kullanır.Şematik diyagram Şekil 5'te gösterilmiştir.
Gerilim kazancı ifadesi aşağıdaki gibidir:
Bunlar arasında, Ls, lk ikincil yan sızıntı endüktansıdır, fr1, mod, fr2, mod, ikincil yan sızıntı endüktansı rezonansa katıldığında ve rezonansa katılmadığında sırasıyla rezonans frekanslarıdır.
4 Simülasyon analizi
Geri besleme denetleyicisinin etkinliğini doğrulamak için, Sabre ortamında çift döngü kontrolüne dayalı bir dizi LLC rezonant dönüştürücü simülasyon modeli oluşturulmuş ve aynı zamanda bir geri bildirim kontrol devresi eklenmiştir.
Şekil 6, iki geri besleme kompansatörünün kapalı döngü kazancını göstermektedir.Stabilite sorunları olan yüksek geçiş frekanslarında faz marjı yoktur; düşük geçiş frekansları nispeten iyi stabiliteye ve zayıf dinamik performansa sahiptir.
Düz çizgi, geri besleme kompansatörünün zaman gecikmesini dikkate alan kapalı döngü genlik-frekans faz frekansı karakteristik eğrisidir ve kesikli çizgi, zaman gecikmesi dikkate alınmadan genlik-frekans faz-frekans eğrisidir. Şekil 6'dan görülebileceği gibi, kompansatörün zaman gecikmesi ihmal edildiğinde, faz marjı yoktur ve sistem kararlılıktan yoksundur.
5 Deneysel doğrulama
Yukarıdaki teorik türetme ve analiz sonuçlarına dayanarak, 5 kW'lık bir deneysel prototip oluşturuldu.Özel parametreler şu şekildedir: giriş gerilimi Uin = 400 600 V, çıkış gerilimi Uo = 500 V, çıkış akımı Io = 10 A, anahtarlama frekansı fs = 100 kHz , Rezonans frekansı fr = 121.3 kHz, rezonans kapasitans Cr1 = Cr2 = 96.4 nF, rezonans endüktansı Lr = 21.7 H, uyarma endüktansı Lm = 120.6 H ve dijital kontrolör NXPnin STM32f407'sini benimser.
Şekil 7,% 20 yük ile iki seviyeli kontrol ve geleneksel kontrol kullanan rezonans akım dalga formlarını göstermektedir.
Şekil 7'den görülebileceği gibi, geleneksel kontrol yöntemi ile karşılaştırıldığında, iki seviyeli bir kontrol stratejisinin kullanımı, trafonun maksimum manyetik akısını ve çalışma frekansını hafif yük koşullarında azaltabilir, böylece hafif yük verimliliğini artırır ve sistemin dinamik performansını optimize eder.
Şekil 8, hafif yükte verimlilik ve çıkış voltajı arasındaki ilişkiyi göstermektedir.Geleneksel güç dönüştürücü tasarımı, büyük bir birincil sirkülasyon akımını ve çıkış redresöründe yüksek anahtarlama kaybını gösterir.İki döngü kontrolünün eklenmesi, hafif yük koşulları altında sistemin verimliliğini artırır. %.
6. Sonuç
Bu makale, LLC rezonant dönüştürücüsünü kontrol etmek için iki aşamalı bir kontrol döngüsü kullanır.Güç döngüsü, görev döngüsünü değiştirerek çıkış gücünü modüle eder ve frekans döngüsü, rezonans frekansını izler.Sadece anahtar tüpü ZVS ve doğrultucu diyot ZCS geniş bir yük aralığında gerçekleştirilebilir, aynı zamanda Hafif yük verimliliğini artırın. Ek olarak, geri besleme dengeleyicinin tasarımı için, dijital kontrolörün gecikme etkisi analiz edilerek uygun bir geçiş frekansı ve yeterli bağıl kararlılık elde edilir. 5 kW deneysel prototip, kontrol stratejisinin hafif yük koşullarında verimliliği% 3 artırabileceğini doğrular.
Referanslar
KIM J W, HAN J K, LAI J S.APWM, hafif yük verimliliğini artırmak için voltaj katlayıcı redresörlü yarım köprü LLC dönüştürücüsünü uyarladı. Elektronik Mektupları, 2017, 53 (5): 339-341.
LIN B R, YEH H P. Yüksek yük akımı uygulaması için sıfır voltaj anahtarlamalı asimetrik darbe genişlik modülasyon dönüştürücüsünün analizi ve uygulaması IET Power Electronics, 2014, 7 (6): 1435-1443.
WANG X, WANG G, WANG Y, ve diğerleri.Faz kayması ve frekans modülasyon kontrolü ile üç seviyeli yarım köprü LLC dönüştürücü. IEEE Industrial Electronics Society, IECON 2016, 2016: 1429-1434.
PARK H P, JUNG J H. Yüksek anahtarlama frekansı işletiminde LLC rezonans dönüştürücü için güç aşaması ve geri besleme döngüsü tasarımı.Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2017, 32 (10): 7770-7782.
Jin Ke, Ruan Xinbo. Bileşik tam köprü üç seviyeli LLC rezonans dönüştürücü. Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2006, 26 (3): 53-58.
Chen Wei, Lu Zhengyu.Yeni bir üç seviyeli tam köprü rezonant yumuşak anahtarlamalı DC / DC dönüştürücü. Journal of Electrotechnical Technology, 2008, 23 (3): 52-59.
Yan Zibo, LLC'ye dayalı yarım köprü sıfır voltaj anahtarlamalı rezonans dönüştürücü Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2005, 31 (9): 68-71.
yazar bilgileri:
Dong Feiju, Shao Ruping, Wang Da
(Elektrik Mühendisliği ve Kontrol Bilimi Okulu, Nanjing Teknoloji Üniversitesi, Nanjing 211816, Jiangsu)
