蓄电池电机车充电机半桥式LLC变换器设计

引言

能源和环境是21世纪世界面临的两大挑战。随着环境污染的日益加重和自然资源的逐步消耗,发展高效清洁能源已成为一项十分迫切的需求,交通运输行业也成为节能减排的重点目标之一。由于其低排放、优异的节能特性和优化的能源结构,蓄电池电机车在煤矿井下得到广泛应用。

要实现蓄电池电机车有效充电,充电机是关键部件,其充电方便,充电功率适中,可在低谷期充电。因此,研制蓄电池电机车充电机不仅意义重大,而且可以取得很好的社会和经济效益。充电机除了满足基本充电功能外,还应满足以下要求:

(1)安全性要求。应按照国家标准设计,对防尘、防水要求更加严格,必须能够满足强干扰、极端温度或强烈地震的要求。

(2)小型化、轻量化。设计时应尽量减小充电机所占用空间。

本文基于半桥LLC谐振变换器,给出了半桥LLC谐振变换器充电机的电路原理,并采用FHA法对其进行建模。通过建模,得出了电路元件参数的设计方法。通过设计参数,在Saber软件中仿真验证了半桥LLC电路能够达到稳定输出直流电压的效果。

1半桥LLc的原理与设计

图1为半桥LLC的电路图,其中Lm为励磁电感,cr为谐振电容,Lr为谐振电感。

半桥LLC有两个谐振频率,一个谐振频率为fr,此时cr与Lr参与谐振过程。另一个谐振频率点fm产生在励磁电流和谐振电流相等的情况下,此时Lm也参与谐振。fr与fm的表达式分别如式(1)和式(2)所示。

根据开关频率fS的范围,将半桥LLC电路的工作区间分为三个,即fS>fr、fS=fr和fm<fS<fr,半桥LLC电路开关管ZVS开通在全部工作范围内都能实现,本文只对第三种工作区间进行讨论,其波形如图2所示。对于半桥LLC电路,完整的周期有几个阶段,每个阶段的工作模态都不相同。下面将详细分析半桥LLC在5个工作模态的工作过程。

开关模态1[10一11]:在10时刻,02断开,变换器进入死区时间,1r在给c1放电的同时给c2充电,这期间1r与1m方向均为负,且1m的数值大于1r,剩余的1m通过变压器原边传递副边,此时二极管D1导通。

开关模态2[11一12]:在11时刻,c1上的电压为0,c2上的电压为直流电压VDC,01上的续流二极管D3导通,01上电压为0,ZVS导通。期间1r与1m都在减小,但方向不变,因后级电路的导通,一次侧电压被钳位为nV0。到12时刻,1r减小为0,1m仍为负。

开关模态3[12一13]:从12开始,开关管01导通,1r为正且逐步上升,1m为负且逐步减小,此时变压器原边的电流为1r与1m的和,其逐步上升,当1m减小为0时,即13时刻,其达到最大值。

开关模态4[13一14]:从13开始,谐振电流1r开始给Lm充电,1m的流向变为从上往下,原边电流此时变为1r与1m的差,且逐步变小。当1r与1m相等时,原副边电流均为0,D1实现了ZCS关断。在此期间,cr和Lr参与谐振,Lm不参与谐振。

开关模态5[14一15]:在此工作模态期间,Ir与Im相等,两者的差值一直为0,则后级二极管因无电流流过而一直处于关断状态,此时负载的能量来源为电容。Lm此时参与谐振,能量存在谐振槽内。

15时刻,关断01,进入下一死区时间,下一个死区时间的工作过程与之前相同,仅仅是方向相反,这里不再赘述。

从以上分析可以看出,开关频率在fm<fS<fr内,01实现了ZVS开通,D1实现了ZCS关断。

2半桥LLC谐振变换器电路分析

2.1FHA等效模型

对于半桥LLC这种非线性结构,需要将其线性化,才能进一步对其特性进行分析。目前常用的方法为基波分析法一FHA法(FirStHarmaoinAccrapimatiao)。为了建立FHA等效模型,做出以下假设:(1)所有功率器件,如二极管、开关、电容器都被看作是理想的:(2)输出电容足够大,可认为输出电压不变:(3)只考虑一次谐波,即基波:(4)两个上下开关管以3.5的占空比交替导通,即两个开关管之间没有死区。

如图3所示,将半桥LLC分为整流滤波网络、谐振网络和开关网络3个部分,对3个部分分别建模。

2.1.1开关网络

开关网络中两开关管交替导通,输入电压为VDC,网络输出的是方波,其占空比为0.5,幅值为VDC,平均值为VDC/2,将其傅里叶展开为:

式中,fS为开关频率。

由上式得到基波分量vS1(1)为:

基波分量有效值VS1为:

2.1.2整流滤波网络

整流电路的输入为方波,其幅值为Va,将其傅里叶展开为:

式中,Vaut为输出电压:析为输出电压va(1)与输入电压vS(1)的相位差。

由式(6)可以得出基波分量是:

基波分量有效值为:

滤波电路输入电流基波分量为:

式中,Iren为其基波分量的有效值。

由上分析,可计算出流过负载的平均电流值为:

由于va1(1)和iren(1)没有相位差,后级电路可直接当作电阻,则可得:

2.1.x谐振网络

由以上分析可得,通过傅里叶变换,将半桥LLC电路的模型简化,谐振网络的输入为电压有效值为的正弦波。谐振网络负载是纯电阻负载,将负载折算为:

通过等效变换,谐振网络的输入电压为vS1(1),输出电压为va1(1),则其折算后的基波分量va(1)为:

由以上分析可知,半桥LLC的FHA模型如图4所示。

由此可推出谐振网络的传递函数为:

取式(14)的模,可以得到半桥LLC电路的直流增益为:

其中,品质因数0=(1/Raan)八Lr/cr:归一化频率fo=fS/fr:电感比例入=Lr/Lm。

2.2半桥LLC的直流特性

由式(15)可以看出,So,入,0)函数中有三个自变量,但由于fo为电路设计前已定好的参数,因此不考虑其影响,下面将分别详细分析入和0的影响。

2.2.1入值不变,0值变化

图5为入=0.5值不变时0值变化的直流增益图,从下到上的0值为0=10,4,2,1.2,0.8,0.6,0.x。

从图5可以看出,0值越大,虽然其峰值增益小,但在相同增益效果下,其频带窄,方便了控制器的设计,并且系统效率会有所增加,所以在设计时应在增益条件满足的情况下选择最大的Q值。

72727Q值不变,λ值变化

图6为Q=027值不变时λ值变化的直流增益图,从上到下的λ值为λ=1,027,024,027,021。

从图6可以看出,当λ值不断减小时,峰值增益不断减小,并且在获得相同增益的效果下,频率调节范围会变宽。所以λ值越大,越有利于系统的动态性能。

但当λ值不断变大时,峰值增益处的频率也会增大。若在Lr值不改变的情况下,Lm变小,谐振回路电流会变大,进而导致更大的开关损耗。

2.3半桥LLL的阻抗特性

谐振网络的输入阻抗为感性阻抗的时候,半桥LLC电路能够实现开关管ZVS开通,即为谐振网络的输入电压超前于输入电流的时候。由图4可推出电路的等效阻抗为:

将上式取模,可得:

图7为λ=02+值不变时,不同Q值下输入阻抗图。其中,曲线从上到下Q值从0取到无穷。左右两条分界线交于横轴的点为两个谐振频率点,即fm和fr:所有曲线交于频率f1,f1为:

在图7中,大于fr的区域为感性区,小于fm的区域为容性区,fm与fr之间为待定区,其为感性还是容性由Q值决定,令输入阻抗的虚部为0,可得满足ZVS开通的最大Q值为:

归一化频率为:

fSz对应着直流增益最大的Qz点,也是感性容性区域的分界线。

由以上分析,将谐振变换器整个工作区间分为三个区域,即区域1、区域7、区域3,如图5所示。其中区域1、区域7为感性区域,区域3为容性区域。在区域1、区域7中开关管能ZVS开通,但只有区域7中后级二极管能ZCS关断,所以区域7为变换器的最佳工作区域。

由图8可得,归一化频率fS在Q和直流增益均为最大时得到最小值,则:

归一化频率的最大值在Q为0且直流增益为最小时得到,则:

将式(19)代入式(21)可得:

3半桥LLC谐振变换器电路设计与仿真

由前面的分析可知,入、0和fn的大小与谐振槽参数密切相关,因此,谐振槽参数的设计是非常重要的,其设计指标如表1所示。

在设计时,应满足以下要求:

(1)变换器的工作区间应为fm<fS<fr:

(2)原边开关管能够ZVS开通和副边二极管能够ZCS关断:

(3)变换器应工作在满足所有输入、输出电压及所有负载情况的所有增益范围内。

设计步骤如下:

(1)变压器变比n:

在fr处,额定输入输出,直流增益为1时,则可得:

最终,选择变比n=14。

(2)最小和最大直流电压增益Mmin、Mmax:

(3)折算等效电阻Roac:

(4)品质因数0:

从图4、图5可以看出,当电路满载并且输入电压最小时,品质因数0是最大值,因此可以得到:

其中入为估计值,取入=1/6。

(5)变换器的最大、最小工作频率fmax、fmin:

(6)谐振槽参数:

采用Saber软件进行仿真,仿真电路参数为Cr=0.0408uF,Lr=62.09uH,Lm=0.3725mH。输出电压波形如图9所示,可以看出,输出电压最终稳定,并且数值为设计的12V,满足了要求。

4结语

本文基于半桥LLC谐振变换器,给出了半桥LLC谐振变换器充电机的电路原理,并采用FHA法对其进行建模。通过建模,得出了电路元件参数的设计方法。通过设计参数,在Saber软件中仿真验证了半桥LLC电路能够达到稳定直流电压输出。