LCC諧振兩級(jí)式高壓直流電源關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、高壓直流電源廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療器械、環(huán)境治理等眾多領(lǐng)域，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。諧振變換器具有良好的軟開關(guān)特性，易于實(shí)現(xiàn)高效高頻化發(fā)展。LCC串并聯(lián)諧振變換器能夠利用變壓器寄生參數(shù)、具有較好的負(fù)載保護(hù)能力和輸出調(diào)節(jié)能力，是實(shí)現(xiàn)高壓直流電源的理想拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。LCC諧振變換器作為一種強(qiáng)非線性系統(tǒng)，復(fù)雜的工作過程增加了分析與設(shè)計(jì)的難度。傳統(tǒng)高壓直流電源前級(jí)一般采用二極管整流器，主要弊端為功率因數(shù)較低，同時(shí)會(huì)向電網(wǎng)注入大量諧波

2、電流。因此采用可控型前級(jí)整流器成為高壓直流電源的重要發(fā)展趨勢(shì)。本文選擇前級(jí)為VIENNA整流器、后級(jí)為L(zhǎng)CC諧振變換器的兩級(jí)式高壓直流電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圍繞數(shù)學(xué)建模、穩(wěn)態(tài)分析、參數(shù)設(shè)計(jì)、控制方法優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)展開了深入研究。主要取得的研究成果如下:
　　利用動(dòng)態(tài)相量法建立了前級(jí)VIENNA整流器的數(shù)學(xué)模型，基于該模型分析了直流側(cè)中點(diǎn)電位的特性。由于中點(diǎn)電流在每個(gè)周期內(nèi)的平均值不為零，所以導(dǎo)致直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡同時(shí)存在低頻振蕩。采用調(diào)

3、制波疊加零序分量的方法對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行平衡，以直流分量和三次諧波分量為主導(dǎo)成分，將零序分量分解為二者疊加的形式，并分別推導(dǎo)了其與中點(diǎn)電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上提出一種基于零序注入的單周期控制方法，分別計(jì)算零序的直流分量和三次諧波分量，并通過系數(shù)調(diào)節(jié)二者的比例關(guān)系。該方法能夠在平衡中點(diǎn)電位的同時(shí)抑制低頻振蕩，有效地解決了前端VIENNA整流器的直流側(cè)中點(diǎn)電位問題。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制方法的有效性。
　　針對(duì)單電容濾波LCC諧振變

4、換器的強(qiáng)非線性特征，將并聯(lián)諧振電容、高頻變壓器、副邊整流器及輸出濾波電容等效為一個(gè)復(fù)數(shù)阻抗，得到了諧振變換器的等效電路。利用相量變換法建立了諧振變換器的大信號(hào)模型，將諧振電壓、電流等狀態(tài)變量的時(shí)域微分方程轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)形式，提高了仿真速度同時(shí)能夠準(zhǔn)確表征變換器的穩(wěn)態(tài)特性?；诘刃щ娐泛痛笮盘?hào)模型，分析了LCC諧振變換器的直流電壓增益、諧振電流、軟開關(guān)等穩(wěn)態(tài)特性，指出了負(fù)載、開關(guān)頻率、輸入阻抗角、整流關(guān)斷角以及諧振電容比等關(guān)鍵電路參數(shù)對(duì)諧振變

5、換器穩(wěn)態(tài)性能的影響，給出了參數(shù)的設(shè)計(jì)原則。在穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上提出了一種限定輸入阻抗角的諧振變換器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，使變換器在滿足輸出要求和軟開關(guān)條件的同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧振電流優(yōu)化，提高了諧振變換器的效率。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析和參數(shù)設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性。
　　在LCC諧振變換器大信號(hào)模型的基礎(chǔ)上，首先建立了傳統(tǒng)移相調(diào)制的完整主電路小信號(hào)模型和非對(duì)稱移相調(diào)制的主電路小信號(hào)模型。然后重點(diǎn)研究了數(shù)字移相調(diào)制器的小信號(hào)模型。利用動(dòng)態(tài)相量法推

6、導(dǎo)了數(shù)字移相調(diào)制器輸入指令值至輸出移相角的傳遞函數(shù)，揭示了數(shù)字移相調(diào)制過程中存在小信號(hào)延時(shí)這一特征。對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)字移相調(diào)制器，其小信號(hào)延時(shí)是移相角和開關(guān)周期的函數(shù)，還和具體的調(diào)制方式有關(guān)。對(duì)于非對(duì)稱數(shù)字移相調(diào)制器，占空比和移相角兩個(gè)輸入之間的耦合作用只有當(dāng)考慮高次諧波分量時(shí)才變得較為明顯，實(shí)際中為了簡(jiǎn)化分析可以忽略不計(jì);其小信號(hào)延時(shí)同樣是移相角和開關(guān)周期的函數(shù)，與占空比無關(guān)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　為了進(jìn)一步

7、提高LCC諧振變換器的效率，提出了一種非對(duì)稱移相控制方法。該方法有占空比和移相角兩個(gè)控制變量，通過PWM移相混合調(diào)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)二者的單獨(dú)調(diào)節(jié)，增加了控制的自由度。對(duì)諧振變換器的輸出功率、軟開關(guān)及諧振電流等穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明同一輸出功率可由不同的控制量組合來實(shí)現(xiàn)。即同一輸出功率對(duì)應(yīng)無限多個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，各穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)之間由于控制變量組合的不同導(dǎo)致了軟開關(guān)特性和諧振電流特性不同。在理論分析的基礎(chǔ)上提出了一種效率優(yōu)化策略，對(duì)于任意輸出

8、功率能夠搜尋最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，在保證軟開關(guān)的前提下使諧振電流減小。從而降低了導(dǎo)通損耗，提升了LCC諧振變換器的整體效率。最后分析了移相調(diào)制器等數(shù)字控制環(huán)節(jié)造成的小信號(hào)延時(shí)對(duì)控制環(huán)路的影響，為控制器參數(shù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本章理論分析的正確性。
　　本文針對(duì)前級(jí)采用VIENNA整流器、后級(jí)采用LCC諧振變換器的兩級(jí)式高壓直流電源，利用動(dòng)態(tài)相量法建立了前后兩級(jí)變換器的動(dòng)態(tài)模型。提出了VIENNA整流器直流側(cè)中點(diǎn)電