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基于LCC-LC谐振变换器的高压储能电源研究

钱黎涛 王德玉 于建萍 赵清林

钱黎涛, 王德玉, 于建萍, 等. 基于LCC-LC谐振变换器的高压储能电源研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 075004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200074
引用本文: 钱黎涛, 王德玉, 于建萍, 等. 基于LCC-LC谐振变换器的高压储能电源研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 075004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200074
Qian Litao, Wang Deyu, Yu Jianping, et al. Research on high voltage energy storage power supply of pulse plasma thruster based on LCC-LC resonant converter[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 075004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200074
Citation: Qian Litao, Wang Deyu, Yu Jianping, et al. Research on high voltage energy storage power supply of pulse plasma thruster based on LCC-LC resonant converter[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 075004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200074

基于LCC-LC谐振变换器的高压储能电源研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200074
基金项目: 国家自然科学基金项目(51407154);河北省自然科学基金项目(E2016203237)
详细信息
    作者简介:

    钱黎涛(1993—),男,硕士,主要从事谐振型变换器研究;2387278553@qq.com

    通讯作者:

    王德玉(1979—),男,博士,副教授,硕导,主要从事高功率重频脉冲充放电技术及脉冲信号测量技术,谐振型DC/DC变换器研究;wdy@ysu.edu.cn

  • 中图分类号: TM910.6

Research on high voltage energy storage power supply of pulse plasma thruster based on LCC-LC resonant converter

  • 摘要: 针对脉冲等离子体推力器(PPT)高压储能电容充电这一应用背景,研究了一种新型LCC-LC谐振变换器。该变换器在保留了LCC谐振网络基本特性的同时,引入了零增益点,使谐振变换器具有负载短路保护和缓启动功能,且相比于LCC谐振变换器的工作频率调整范围更窄,有利于磁集成和功率密度的提升。利用基波分析法和阻抗分析法分析了高阶LCC-LC谐振腔的特性,并基于此进行工作区间划分,确保LCC-LC谐振变换器宽负载范围内实现软开关;针对LCC-LC谐振变换器的高效运行,给出了一整套参数优化设计方法。最后,通过仿真和1 kW的原理样机实验数据,对所研究的变换器各项功能进行了验证。
  • 图  1  LCC-LC谐振变换器

    Figure  1.  LCC-LC resonant converter

    图  2  LCC-LC谐振变换器等效电路

    Figure  2.  Equivalent circuit of LCC-LC resonant converter

    图  3  LCC-LC变换器电压和电流增益

    Figure  3.  Gain analysis of LCC-LC converter

    图  4  LCC-LC参数设计流程

    Figure  4.  LCC-LC parameter design process

    图  5  恒流输出(Io=500 mA)仿真波形

    Figure  5.  Simulation waveform of constant current output(Io=500 mA)

    图  6  恒压输出(Vo=2 kV)仿真波形

    Figure  6.  Simulation waveform of constant voltage output(Vo=2 kV)

    图  7  漏电补偿(Io=2.7 mA)仿真波形

    Figure  7.  Simulation waveform of trickle output(Io=2.7 mA)

    图  8  短路输出(Vo=0 V)仿真波形

    Figure  8.  Simulation waveform of short circuit protection output (Vo=0 V)

    图  9  缓启动波形

    Figure  9.  Waveform of soft start

    表  1  多谐振网络参数

    Table  1.   Parameter of multi resonance network

    Vin/VIomax/AUomax/VPomax/kWnCs/μFLs/μHCp/μFLp/μHCm/μFCm/μF
    2700.52 0001300.27150.1357.50.1352
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  • [1] 王冬冬. 串联谐振电容器充电电源的研制[D]. 武汉: 华中科技大学, 2008.

    Wang Dongdong. Development of charging power supply for series resonant capacitor[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2008
    [2] 刘劲东, 何大勇, 杨兴旺, 等. 双谐振拓扑高压脉冲电容器充电电源[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31:040021. (Liu Jingdong, He Dayong, Yang Xingwang, et al. High voltage pulse capacitor charging power supply based on double resonant topology[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 040021 doi:  10.11884/HPLPB201931.180314
    [3] 冯传均, 何泱, 戴文峰, 等. 串联谐振高压电容充电电源设计及分析[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31:055002. (Feng Chuanjun, He Yang, Dai Wenfeng, et al. Design and analysis of series resonant high voltage capacitor charging power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 055002 doi:  10.11884/HPLPB201931.180355
    [4] 廖永福, 林磊, 李傲, 等. 移相串联谐振高压电容器充电电源谐振参数设计方法及其电流控制策略[J]. 电工技术学报, 2016, 31(16):83-92. (Liao Yongfu, Lin Lei, Li Ao, et al. Resonant parameters design method and current control strategy of phase-shifted series resonant high-voltage capacitor charging power supply[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(16): 83-92 doi:  10.3969/j.issn.1000-6753.2016.16.011
    [5] 蔡政平, 李伟松. 太赫兹器件测试用高重复频率高压脉冲电源[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30:023101. (Cai Zhengping, Li Weisong. Development of high frequency pulsed power supply for THz device test[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 023101 doi:  10.11884/HPLPB201830.170274
    [6] 梁勖, 赵读亮, 林颖, 等. 基于可控LC串联谐振的高重复频率高精度脉冲充电电源[J]. 高电压技术, 2018, 44(9):3022-3027. (Liang Xu, Zhao Duliang, Lin Ying, et al. High repetition rate and high accuracy capacitor charging pulse power supply based on controllable LC series resonance[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(9): 3022-3027
    [7] Diaz J A, Villegas Saiz A M, Martin-Ramos J, et al. A high-voltage AC/DC resonant converter based on PRC with single capacitor as an output filter[J]. IEEE Trans Industry Applications, 2010, 46(6): 2134-2142. doi:  10.1109/TIA.2010.2070053
    [8] 刘福才, 金书辉, 赵晓娟. LC串联谐振和LCC串并联谐振在高压脉冲电容充电电源中的应用比较[J]. 高电压技术, 2012, 38(12):3347-3356. (Liu Fucai, Jin Shuhui, Zhao Xiaojuan. Comparison of LC series resonant and LCC series-parallel resonant in high voltage pulse capacitor charging power supply application[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(12): 3347-3356
    [9] 钟和清, 徐至新, 邹云屏, 等. 寄生电容对串联谐振电容器充电电源特性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(10):40-44. (Zhong Heqing, Xu Zhixin, Zou Yunping, et al. Effects of parasitical capactiors on charging characteristic of series resonant CCPS[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(10): 40-44 doi:  10.3321/j.issn:0258-8013.2005.10.008
    [10] 刘军, 郭瑭瑭, 常磊, 等. 高压变压器寄生电容对串联谐振变换器特性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(15):16-23. (Liu Jun, Guo Tangtang, Chang Lei, et al. Effects of the parasitic capacitance on characteristics of series resonant converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(15): 16-23
    [11] Borage M, Nagesh K V, Bhatia M S, et al. Design of LCL-T resonant converter including the effect of transformer winding capacitance[J]. IEEE Trans Industrial Electronics, 2009, 56(5): 1420-1427. doi:  10.1109/TIE.2009.2012417
    [12] 赵清林, 曹茹茹, 王德玉, 等. 大功率半导体激光泵浦固体激光器脉冲电源设计[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30:115001. (Zhao Qinglin, Cao Ruru, Wang Deyu, et al. Design of pulse power supply for diode pumped solid state laser[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 115001 doi:  10.11884/HPLPB201830.180144
    [13] 王德玉, 段元超, 高鹤, 等. LCC谐振变换器电流输出特性研究与软开关实现[J]. 电工技术学报, 2018, 33(12):142-154. (Wang Deyu, Duan Yuanchao, Gao He, et al. Current output characteristics and implementation of soft switch based on LCC resonant converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(12): 142-154
    [14] 段元超, 王德玉, 高鹤, 等. 基于LCC谐振变换器的PFU充电系统恒流特性优化[J]. 高电压技术, 2018, 44(10):3275-3283. (Duan Yuanchao, Wang Deyu, Gao He, et al. Optimization for constant current characteristics of PFU charging system based on LCC resonant converter[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(10): 3275-3283
    [15] Borage M, Tiwari S, Kotaiah S. LCL-T resonant converter with clamp diodes: A novel constant-current power supply with inherent constant-voltage limit[J]. IEEE Trans Industrial Electronics, 2007, 54(2): 741-746. doi:  10.1109/TIE.2007.892254
  • [1] 张远绎, 凌志斌, 李旭光.  便携式谐振倍压电容充电电源的设计 . 强激光与粒子束, 2020, 32(3): 035006-1-035006-5. doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
    [2] 冯传均, 何泱, 戴文峰, 伍友成, 付佳斌, 王敏华.  串联谐振高压电容充电电源设计及分析 . 强激光与粒子束, 2019, 31(05): 055002-. doi: 10.11884/HPLPB201931.180355
    [3] 罗集睿, 张政权, 刘庆想, 王庆峰, 王烜, 胥华.  基于混合控制LLC谐振变换器的设计与分析 . 强激光与粒子束, 2019, 31(01): 015002-. doi: 10.11884/HPLPB201931.180280
    [4] 罗集睿, 王庆峰, 张政权, 刘庆想, 何长鑫, 周勃.  基于AC-Link串联谐振的Buck-Boost变换器控制算法 . 强激光与粒子束, 2019, 31(02): 025001-. doi: 10.11884/HPLPB201931.180279
    [5] 刘劲东, 何大勇, 杨兴旺, 王勇.  双谐振拓扑高压脉冲电容器充电电源 . 强激光与粒子束, 2019, 31(04): 040021-. doi: 10.11884/HPLPB201931.180314
    [6] 欧伟丽, 张政权, 刘庆想, 张耀文, 席静怡, 蒋丹.  LCC谐振变换器的电路建模与参数设计 . 强激光与粒子束, 2019, 31(04): 040009-. doi: 10.11884/HPLPB201931.180281
    [7] 卜朗, 刘庆想, 王邦继, 张政权, 李伟.  并联谐振AC-link三相AC/AC变换器仿真研究 . 强激光与粒子束, 2018, 30(06): 063009-. doi: 10.11884/HPLPB201830.170458
    [8] 赵坡, 杨瑞霞, 闫立华, 安振峰.  宽温度范围无制冷固体激光器 . 强激光与粒子束, 2016, 28(10): 101003-. doi: 10.11884/HPLPB201628.151273
    [9] 郭猛, 惠勇凌, 张宇露, 姜梦华, 雷訇, 李强.  宽温度范围微型人眼安全激光器 . 强激光与粒子束, 2015, 27(04): 041019-. doi: 10.11884/HPLPB201527.041019
    [10] 郑锴, 周东方, 李建兵, 李莉.  基于自激移相控制的行波管电源LLC变换器 . 强激光与粒子束, 2015, 27(09): 093002-. doi: 10.11884/HPLPB201527.093002
    [11] 孙鹏, 李相强, 刘庆想, 张政权, 李伟.  单相并联谐振变换器输出LC滤波器参数优化 . 强激光与粒子束, 2014, 26(06): 063027-. doi: 10.11884/HPLPB201426.063027
    [12] 徐刚, 谢平, 廖勇, 张晋琪, 杨周炳, 孟凡宝.  开关激励宽谱电磁脉冲谐振器频域响应特性 . 强激光与粒子束, 2013, 25(09): 2363-2367. doi: 10.3788/HPLPB20132509.2363
    [13] 蒙建华, 邓向阳, 李泽仁, 彭其先, 杨礼兵, 欧阳凯.  宽动态范围的双正交磁光电流传感器技术 . 强激光与粒子束, 2012, 24(06): 1493-1496. doi: 10.3788/HPLPB20122406.1493
    [14] 任青毅, 梁川, 王桂吉, 崔恒安.  并联谐振变换器式电容器充电电源 . 强激光与粒子束, 2012, 24(03): 693-696. doi: 10.3788/HPLPB20122403.0693
    [15] 张政权, 刘庆想, 吴志鹏, 杨贺.  基于高频交流链接技术的串联谐振变换器 . 强激光与粒子束, 2011, 23(11): 0- .
    [16] 张政权, 刘庆想, 向欣, 张朋朋, 吴志鹏.  高频整流谐振变换电源 . 强激光与粒子束, 2010, 22(04): 0- .
    [17] 苏建仓, 王利民, 丁永忠, 宋晓欣.  串联谐振充电电源分析及设计 . 强激光与粒子束, 2004, 16(12): 0- .
    [18] 尚雷, 陆业明, 冯德仁, 赵涛, 冯光耀.  40kV/20kW开关型脉冲成形网络充电高压电源 . 强激光与粒子束, 2003, 15(07): 0- .
    [19] 尚雷, 王相綦, 裴元吉, 赵涛, 冯光耀, 王琳.  新型软开关高压脉冲电容恒流充电技术分析 . 强激光与粒子束, 2001, 13(02): 0- .
    [20] 尚雷, 王相綦, 裴元吉, 郑槐, 张建华, 钟国俭, 范青, 汪邦金, 袁同山, 孙振鹏.  冲击磁铁脉冲调制器的谐振开关高压充电电路及数值模拟 . 强激光与粒子束, 1998, 10(01): 0- .
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-20
  • 修回日期:  2020-04-20
  • 网络出版日期:  2020-05-26
  • 刊出日期:  2020-06-24

基于LCC-LC谐振变换器的高压储能电源研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200074
    基金项目:  国家自然科学基金项目(51407154);河北省自然科学基金项目(E2016203237)
    作者简介:

    钱黎涛(1993—),男,硕士,主要从事谐振型变换器研究;2387278553@qq.com

    通讯作者: 王德玉(1979—),男,博士,副教授,硕导,主要从事高功率重频脉冲充放电技术及脉冲信号测量技术,谐振型DC/DC变换器研究;wdy@ysu.edu.cn
  • 中图分类号: TM910.6

摘要: 针对脉冲等离子体推力器(PPT)高压储能电容充电这一应用背景,研究了一种新型LCC-LC谐振变换器。该变换器在保留了LCC谐振网络基本特性的同时,引入了零增益点,使谐振变换器具有负载短路保护和缓启动功能,且相比于LCC谐振变换器的工作频率调整范围更窄,有利于磁集成和功率密度的提升。利用基波分析法和阻抗分析法分析了高阶LCC-LC谐振腔的特性,并基于此进行工作区间划分,确保LCC-LC谐振变换器宽负载范围内实现软开关;针对LCC-LC谐振变换器的高效运行,给出了一整套参数优化设计方法。最后,通过仿真和1 kW的原理样机实验数据,对所研究的变换器各项功能进行了验证。

English Abstract

钱黎涛, 王德玉, 于建萍, 等. 基于LCC-LC谐振变换器的高压储能电源研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 075004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200074
引用本文: 钱黎涛, 王德玉, 于建萍, 等. 基于LCC-LC谐振变换器的高压储能电源研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 075004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200074
Qian Litao, Wang Deyu, Yu Jianping, et al. Research on high voltage energy storage power supply of pulse plasma thruster based on LCC-LC resonant converter[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 075004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200074
Citation: Qian Litao, Wang Deyu, Yu Jianping, et al. Research on high voltage energy storage power supply of pulse plasma thruster based on LCC-LC resonant converter[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 075004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200074
  • 脉冲等离子体推力器(PPT)高压电容器重复频率充放电这一特殊应用背景[1],对高压储能电源的电效率、功率密度和短路过载保护和漏电补偿功能等方面,提出了严苛的要求。近年来,对于高频谐振型的脉冲电容充电电源的研究渐热,主要包括LC串联谐振、LC并联谐振和LCC串并联谐振变换器等几种基础拓扑。其中,LC串联谐振变换器工作在电流断续模式下,由于具有恒流输出、ZCS软开关和抗负载短路等特性,在高电压充电电源中得到了广泛应用[2-6]。LC并联谐振变换器则凭借良好的轻载调压能力,而被应用到高压直流电源中[7]。前期研究表明,高压充电电源中必需的高升压比变压器寄生电容的存在使传统的二阶谐振网络转化为三阶网络,并显著影响了变换器电流输出特性[811],促使LCC谐振变换器被广泛应用到高压充电电源中[12]。为了维护充电机的充电能力不受影响,文献[13]基于LCC谐振变换器,提出了断续输出临界算法,提高了电流输出能力。此外,针对PPT脉冲电容器重复频率放电老化带来的电荷泄漏问题,该文提出的涓流控制需要外部辅助直流供电,这对整机功率集成和控制简化非常不利。文献[14]提出PFM和Burst相结合的调制策略,实现了高压充电电源的恒流-恒压充电的双模式切换,有效地解决了该问题,但同时带来的开关频率宽范围变化不利于变压器的磁集成。文献[15]提出的恒流-恒压切换方法需要外加额外恒压电路,相对复杂,也不利于控制简化。综上,低阶谐振网络很难同时满足高压充电电源的多模式充电需求,而针对高阶谐振变换器的电流特性及应用于高压充电电源的研究尚未展开,本文研究一种高阶LCC-LC谐振变换器,结合窄范围调频控制方式,为实现高压充电电源的恒流和恒压两阶段充电,提供一种新的思路。

    • 本文研究的高阶谐振变换器拓扑结构如图1所示:输入电压Vin,S1~S4开关构成高频逆变桥,其反并联二极管VD1~VD4;高阶谐振网络由串联谐振电感Ls、串联谐振电容Cs、并联陷波电感Lp、并联陷波电容Cp和并联电容Cm构成;高升压比变压器T的变比1∶n;VDo1~VDo4构成高频整流桥,输出高电压Vo为脉冲电容器Co的充电电压;模拟负载为Ro

      图  1  LCC-LC谐振变换器

      Figure 1.  LCC-LC resonant converter

      图1可以看出,高阶LCC-LC谐振是在LCC谐振的基础上,引入了并联类陷波器LpCp;在LCC结构自身具备的串、并联频率,即恒流、恒压频率点的基础上,又引入了零增益点(电压或者电流),使变换器能够在较窄开关频率范围内实现大范围电流增益调节,下文通过增益特性分析对此特性进行详细说明。

    • 首先,基于基频分析法获得图1的等效电路如图2所示。负载电阻反射到原边的等效电阻Req、全桥逆变输出端方波电压基波分量的峰值VAB,1和副边整流桥折算到变压器副边方波电压基波分量峰值VCD,1的表达式为

      图  2  LCC-LC谐振变换器等效电路

      Figure 2.  Equivalent circuit of LCC-LC resonant converter

      $$ {R_{{\rm{eq}}}} = {{{\rm{8}}{n^{\rm{2}}}{R_{\rm{o}}}}}/{{{{{\text{π}}}^{\rm{2}}}}} ,\;\; {V_{{\rm{AB,1}}}} = {{{\rm{4}}{V_{{\rm{in}}}}}}/{{{\text{π}}}} ,\;\; {V_{{\rm{CD,1}}}} = {{{\rm{4}}{V_{\rm{o}}}}}/{{{\text{π}}}} $$ (1)

      式中:Vin为直流输入电压幅值;n为变压器原/副边匝数变比,nN1/N2

      根据图2并结合基波分析法可得到变换器的电压增益M和电流增益H表达式分别为

      $$M = \dfrac{{{V_{\rm{o}}}}}{{n{V_{{\rm{in}}}}}} = \left| {\dfrac{{{V_{{\rm{CD,1}}}}}}{{n{V_{{\rm{AB,1}}}}}}} \right| = \dfrac{{\rm{1}}}{{\sqrt {{{\left( {{\rm{1 + }}{\lambda _{\rm{b}}} - {\lambda _{\rm{b}}}{f_{\rm{n}}}^2 - \dfrac{{{\lambda _{\rm{b}}}{\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}}^2}}{{1 - {\lambda _{\rm{a}}}{\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}}^2}}} \right)}^2}{\rm{ + }}{Q^2}{{\left({f_{\rm{n}}} - \dfrac{1}{{{f_{\rm{n}}}}} + {\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}} + \dfrac{{{\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}}}}{{1 - {\lambda _{\rm{a}}}{\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}}^2}}\right)}^2}} }}$$ (2)
      $$H = \dfrac{{n{I_{\rm{o}}}}}{{{{{V_{{\rm{in}}}}} / {{Z_{\rm{r}}}}}}} = \dfrac{Q}{{\sqrt {{{\left( {{\rm{1 + }}{\lambda _{\rm{b}}} - {\lambda _{\rm{b}}}{f_{\rm{n}}}^2{\rm{ - }}\dfrac{{{\lambda _{\rm{b}}}{\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}}^2}}{{1 - {\lambda _{\rm{a}}}{\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}}^2}}} \right)}^2}{\rm{ + }}{Q^2}{{\left({f_{\rm{n}}} - \dfrac{1}{{{f_{\rm{n}}}}} + {\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}} + \dfrac{{{\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}}}}{{1 - {\lambda _{\rm{a}}}{\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}}^2}}\right)}^2}} }}$$ (3)

      式中:fs为开关频率;${f_{\rm{r}}}{\rm{ = }}{{\rm{1}}}/{{{\rm{2{\text{π}}}}\sqrt {{L_{\rm{s}}}{C_{\rm{s}}}} }}$,为串联谐振频率;${f_{{\rm{rp}}}}{\rm{ = }}{{\rm{1}}}/{{{\rm{2{\text{π}} }}\sqrt {{L_{\rm{p}}}{C_{\rm{p}}}} }}$,为陷波频率;${f_{\rm{n}}} = {{{f_{\rm{s}}}}}/{{{f_{\rm{r}}}}}$,为归一化频率;${\lambda _{\rm{a}}}{\rm{ = }}{{{C_{\rm{p}}}} / {{C_{\rm{s}}}}}$,为并联陷波谐振电容与串联谐振电容之比;${\lambda _{\rm{b}}}{\rm{ = }}{{{C_{\rm{m}}}} / {{C_{\rm{s}}}}}$,为并联谐振电容与串联谐振电容之比;${\lambda _{\rm{c}}}{\rm{ = }}{{{L_{\rm{p}}}} / {{L_{\rm{s}}}}}$,为并联陷波谐振电感与串联谐振电感之比;${Z_{\rm{r}}} = \sqrt {{{{L_{\rm{s}}}} / {{C_{\rm{s}}}}}} $,为特征阻抗;$Q = {{{Z_{\rm{r}}}} / {{R_{{\rm{eq}}}}}}$,为品质因数。

    • 基于式(2)和(3)所示的LCC-LC谐振变换器增益特性可以得到各参数对于增益的影响;同时为实现变换器高效运行,有必要实现零电压软开关(ZVS)。当谐振腔输入阻抗呈感性时,有利于实现逆变器开关的ZVS;而容性区则不利于ZVS,同时还会因反并联二极管的反向恢复现象,带来桥臂瞬间直通而增加损耗。为了获得谐振变换器软开关实现范围,开展LCC-LC谐振腔的输入阻抗分析。根据等效电路可以求得LCC-LC谐振腔的输入阻抗Zin及其归一化后的变量ZinN分别为

      $${Z_{{\rm{in}}}}{\rm{ = }}{\rm{j}}{\omega _{\rm{s}}}{L_{\rm{s}}}{\rm{ + }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{j}}{\omega _{\rm{s}}}{C_{\rm{s}}}}} + \frac{{{\rm{j}}{\omega _{\rm{s}}}{L_{\rm{p}}}}}{{{\rm{1 - }}{\omega _{\rm{s}}}^2{L_{\rm{p}}}{C_{\rm{p}}}}}{\rm{ + }}\frac{{{R_{{\rm{eq}}}}}}{{{\rm{1 + }}{\rm{j}}{\omega _{\rm{s}}}{C_{\rm{m}}}{R_{{\rm{eq}}}}}}$$ (5)
      $${Z_{{\rm{inN}}}}{\rm{ = }}\frac{{{Z_{{\rm{in}}}}}}{{{Z_{\rm{r}}}}} = {\rm{j}}\Bigg({f_{\rm{n}}} - \frac{1}{{{f_{\rm{n}}}}} + \frac{{{\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}}}}{{1 - {\lambda _{\rm{b}}}{\lambda _{\rm{c}}}{f_{\rm{n}}}^2}} - \frac{{{\lambda _{\rm{b}}}{f_{\rm{n}}}}}{{{Q^2} - {\lambda _{\rm{b}}}^2{f_{\rm{n}}}^2}}\Bigg) + \frac{Q}{{{Q^2} - {\lambda _{\rm{b}}}^2{f_{\rm{n}}}^2}}$$ (6)

      ZinN虚部等于零,可以得到感性/容性区边界QsMsHs值。结合对谐振腔分析可以得到LCC-LC的五个谐振频率点(如图3(a)所示):第1串联谐振频率点fr1、第1并联谐振频率点fr2、陷波频率frp、第2串联谐振频率点fr3和第2并联谐振频率点fr4,并且这五个谐振点的大小关系为fr1fr2frpfr3fr4。利用这五个谐振频率点,并结合边界QsHs,可以将谐振变换器工作区间划分为六部分:I,II,III,IV,V和VI区间,如图3(b)所示。

      图  3  LCC-LC变换器电压和电流增益

      Figure 3.  Gain analysis of LCC-LC converter

      通过分析式(5)中ZinN的特性,对谐振腔的感/容性区间进行如下划分:区间I(0~fr1,且位于边界左侧),谐振腔呈容性;区间II(fr1fr2,且位于边界右侧),谐振腔呈感性;区间III(fr2frp),谐振腔呈感性;区间IV(frpfr3,且位于边界左侧),谐振腔呈容性;区间V(fr3fr4,且位于边界右侧),谐振腔呈感性;区间VI(fr4~+∞),谐振腔呈感性。通过对各个区间软开关情况的逐一判断,最终选择II和III作为调频工作区间,以实现变换器的ZVS。

      由式(2)和(3)可以得到变换器的电压和电流增益特性,如图3所示。

      图3可知,LCC-LC谐振变换器在(fr2frp)区间内存在恒流区,这使PPT电容无需依赖闭环控制即可实现天然的恒流充电成为可能。同时,无论电压增益还是电流增益曲线上都有一个零增益点,这对于在有限工作频率下实现电容重复频率放电短路保护功能十分有利。同时,由于引入陷波器的快速陷波功能,使得变换器启动时,在相对窄的调频范围内即可实现缓启,动态响应性能大大提高,这非常适合用于需要重复充放电的PPT供电系统。

    • 多谐振元件的引入将增加谐振网络参数设计的复杂性,同时也为变换器输出特性的多目标优化提供了可能。根据上文的分析,可以得到各个元件电压和电流增益与谐振腔参数的关系,通过此类关系可以得到Qλaλbλc。根据所采取的恒流点优化陷波点和变压器变比n参数。通过恒流点和恒压点以及陷波点求取LsCsLpCpCm,设计流程图如图4所示。根据该流程,本文最终选取的参数如表1所示。

      表 1  多谐振网络参数

      Table 1.  Parameter of multi resonance network

      Vin/VIomax/AUomax/VPomax/kWnCs/μFLs/μHCp/μFLp/μHCm/μFCm/μF
      2700.52 0001300.27150.1357.50.1352

      图  4  LCC-LC参数设计流程

      Figure 4.  LCC-LC parameter design process

    • 为了验证以上理论分析和参数设计,采用表1参数搭建仿真原理图进行验证,通过仿真可以验证充电机的特性。

    • 图5为恒流(Io=500 mA)充电特性仿真验证结果,其中Vg14Vg23分别是S1,S4和S2,S3驱动波形,ir是谐振腔谐振电流,Io是输出电流,Vo是输出电压,Vds1是S1漏源电压,横坐标均为仿真时间t,选取稳定时波形进行分析,可以得到从充电电压250 V到2 kV,开关频率一直为104 kHz,保持很好的恒流特性,并且在恒流充电阶段,实现了开关管ZVS。

      图  5  恒流输出(Io=500 mA)仿真波形

      Figure 5.  Simulation waveform of constant current output(Io=500 mA)

    • 图6为恒压(Vo=2 kV)充电特性验证仿真波形,由图6并结合图5(c)(d)可知,当输出电压为2 kV时,仅仅将开关频率从104 kHz调整到143 kHz(变化了39 kHz),输出电流即从500 mA调整到5 mA,实现了窄开关频率范围内的大电流增益调节,控制模式也从恒流输出切换为恒压输出,保证了PPT的储能精度和放电比冲精度。同时也可以得到在恒压充电阶段,实现了开关管ZVS。

      图  6  恒压输出(Vo=2 kV)仿真波形

      Figure 6.  Simulation waveform of constant voltage output(Vo=2 kV)

    • 图7为漏电补偿仿真波形,假设漏电补偿电流为Io=2.7 mA,当电容漏电需要补偿时,通过调频可以实现小电流补偿,此处实现了2.7 mA小电流补偿,开关频率相对于额定充电频率仅仅变化了50 kHz。

      图  7  漏电补偿(Io=2.7 mA)仿真波形

      Figure 7.  Simulation waveform of trickle output(Io=2.7 mA)

    • 图8给出了输出短路( V o=0 V)的仿真波形。可以看出,当负载电容突然放电,变换器处于短路工况时,电压增益M瞬间跳变为零,此时通过调频至陷波频率点,可以实现负载短路连续工作状态而无需停机保护,从而为接下来的缓启动和下一周期的脉冲储能做好准备。短路工作频率相对于正常充电频率仅仅调整了55 kHz左右。

      图  8  短路输出(Vo=0 V)仿真波形

      Figure 8.  Simulation waveform of short circuit protection output (Vo=0 V)

    • 图9是缓启动波形,其中Vo是输出电压,ir是谐振电流,从图9可以得到,输出电压从0开始上升到400 V,开关频率从fs=159 kHz逐渐变化到fs=104 kHz,变化范围相对窄,同时启动过程平滑,无冲击。

      图  9  缓启动波形

      Figure 9.  Waveform of soft start

    • 本文研究的高阶谐振充电电源,通过在传统LCC谐振变换器的基础上引入陷波环节,增加了零增益特性,从而表现出LCC-LC谐振变换器独有的特点,十分适合用于PPT电容储能场合。通过仿真和实验验证得到以下结论:(1)较窄的开关频率变化范围实现电流/电压增益大范围调节,从恒流充电过渡到恒压充电,工作频率仅仅变化50 kHz左右;(2)陷波器的加入帮助实现LCC缓启动和电流保护;(3)充电过程中实现开关管ZVS软开关。

参考文献 (15)

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