ESS中雙向CLLLC諧振變換器的控制方案

前言

單級隔離轉換器，如雙向capacitor-inductor-inductor-inductor-capacitor(CLLLC)，是儲能系統(tǒng)(ESSs)中一種流行的轉換器類型，以節(jié)省系統(tǒng)成本和提高功率密度。CLLLC的增益曲線較平坦，但當開關頻率(f s)高于串聯(lián)諧振頻率(f r)時，增益曲線將不希望地平坦。變壓器和mosfet的寄生電容也會顯著影響變頻器的增益[1 ]，從而導致變頻器的輸出電壓失控。在這個功率提示中，我將介紹一種CLLLC控制算法和一種同步整流器(SR)控制方法來消除這種非線性，使用一個3.6kw的原型轉換器來驗證其性能。圖1是一個住宅ESS的方框圖。

圖1具有雙向功率因數(shù)校正(PFC)/逆變器、雙向直流/直流轉換器和最大功率點跟蹤(MPPT)的住宅ESS方框圖。

在控制階段的設計注意事項

圖2顯示了帶有寄生電容的全橋CLLLC諧振轉換器的電路拓撲結構。該拓撲結構由對稱諧振罐和全橋結構組成。

圖2：帶有寄生電容器的全橋式CLLLC轉換器的電路拓撲結構。

圖3顯示了CLLLC的理想增益曲線。與LLC轉換器類似，變頻控制是一種流行的CLLLC諧振轉換器的控制方案。

圖3使用變頻控制的理想CLLLC增益曲線。

如前所述，當fs超過fr時，增益曲線為平坦。此外，隨著功率水平的增加，轉換器需要在電池側并行更多的FET來處理更多的電流，這意味著輸出全橋FET上的輸出電容(C oss)將非常大。考慮變壓器纏繞電容和C oss的寄生參數(shù)，高頻非單調增益曲線嚴重，符合光載條件，如圖4所示。

圖4考慮變壓器繞組間電容和C oss等寄生參數(shù)的CLLLC增益曲線。

在這種情況下，頻率控制是無用的。冰杯模式是解決CLLLC諧振轉換器非單調特性的一種流行方法，但這種方法不適用于電池應用，因為當電池電壓較低時，轉換器需要提供高電流。脈寬調制(PWM)和相移控制可以解決這一問題，但PWM控制將使晶體管在硬切換狀態(tài)下工作，從而降低了效率，限制了工作頻率。因此，相移控制是一個更好的選擇。

控制邏輯

圖5為頻率和相移混合控制方案圖。啟動時電池電壓較低，因此變頻器需要用低充電電流軟啟動，以限制大電流峰值，延長電池壽命。如果諧振電感值或頻率不夠高，從高頻軟啟動是有限的。當電池充電到接近滿容量時，它會以小電流滴充電并保持恒定電壓。這兩種情況都對應于轉換器的輕負載條件。在輕負載下，由于寄生電容，輸出電壓往往會上升，根據(jù)之前的分析，最終可能失去調節(jié);相移控制可以幫助調節(jié)這種狀態(tài)下的輸出電壓?？刂破鞯挠嬎憬Y果決定了轉換器是否需要進入相移模式。

圖5：不同電荷狀態(tài)下的控制方案。注意，啟動時電池電壓較低，所以轉換器需要用低充電電流軟啟動，以限制大電流峰值，延長電池壽命。

圖6顯示了頻率和相移之間的調制開關。當負載降低時，頻率就會增加，以調節(jié)輸出電壓。如果計算出的最大頻率高于設定值，變換器就進入了相移調制，然后當負載增加時，相移角就會減小，以調節(jié)輸出電壓。當相移角減小到零時，轉換器將再次進入頻率模式。

圖6在頻率和相移模式之間的控制方案。當負載減小且相移角為零時，頻率將增加，以調節(jié)輸出電壓(頻率模式)。如果最大頻率高于設定值，則移相角度減小以調節(jié)輸出電壓(移相模式)。

由寄生電容引起的問題

MOSFET的C oss在相移模式下也有這種效應;罐電流會隨這些電容器振蕩，如圖7所示。

圖7開環(huán)時移相模式下的儲罐電流波形。

圖8繪制了一個有和不考慮MOSFET C oss的CLLLC轉換器的增益比較。由圖可知，增益曲線將會有波動。在這種情況下，控制器可能會在閉環(huán)控制下將相移角調整到錯誤的方向，從而產生較大的電流峰值。

圖8有和沒有C OSS的相移模式下的增益曲線。

增益問題的求解方法

為了消除增益的非單調性，采用如圖9所示的SR控制可以解決這個問題。在儲罐電流振蕩期間，同時打開兩個上或兩個下SR開關將暫時縮短變壓器的二次側繞組，這樣C oss就不會涉及諧振器。

圖9提出了SR控制方案來消除增益的非單調性。

圖10為測試結果，與圖8相比無振蕩。

圖10該控制方案在相移模式下的增益曲線。

試驗結果

一個原型使用這種控制方案來驗證性能。圖11顯示了軟啟動波形，圖12顯示了該控制方案在相移模式下的儲罐電流波形。

圖11在750 W的輸出功率下的相移軟啟動。

圖12該方案在相移模式下的儲槽電流波形。

圖13和圖14為頻率/相移調制開關測試。從測試波形來看，啟動電流限制在28 A以內，輸出功率為750 W。儲罐電流沒有振蕩，轉換器可以在不同的工作條件下平滑地改變調制。

圖13移相調頻開關：5-A負載的頻率模式。

圖14移相和調頻開關：具有1-A負載的移相模式。

結論

所提出的頻率和相移混合控制方案限制了啟動階段的涌入電流，并使增益在輕負荷條件下呈線性變化。該變換器可以在調頻和調相之間平穩(wěn)切換。此外，相移控制還引入了非單調增益問題，使在具有大C OSS的設計中電流振蕩。所提出的SR控制方法可以幫助解決電流振蕩問題，使增益單調。