一种具有自限流功能的LLC谐振变流器拓扑

一、引言

在发电厂和变电站中，供给二次回路的直流电源称为电力操作电源。电力操作电源主要用于向控制、保护、信号、自动装置回路以及操动机械和调节机械的传动机构供电，同时还作为独立的事故照明电源。目前发电厂和变电站普遍应用的操作电源是硅整流型操作电源（又称相控式操作电源），它采用硅整流型充电装置对蓄电池充电，由蓄电池向二次回路提供不间断的直流电源。但这种电源存在许多缺陷，如充电装置效率差、稳压稳流精度低、纹波大、电池保持容量低、寿命短等。随着电力电子技术的发展，传统的硅整流型电源正在逐渐被高频开关电源取代。高频开关电源具有体积小、重量轻、效率高、电气性能好等许多优点。此外，由于高频开关电源采用模块化结构和n+1备份方式，使电源装置的可靠性得到大大提高。

在高频开关电源的拓扑选择上，近年来，LLC谐振变流器的拓扑受到越来越多的关注。LLC谐振变流器的拓扑本身具有一些优越的性能，例如可以实现原边开关管在全负载下的零电压软开关（ZVS），副边整流二极管电压应力低，因此高输出电压应用情况下可以实现较高的效率等。这些优点使得LLC谐振变流器特别适合高输出电压的应用场合，如电力操作电源等。

但是LLC谐振变流器的拓扑在应用中还存在一些实际问题，其中一个主要问题是当出现电路启动、负载过流或短路情况时如何限制电路中的电流以防止电路损坏。针对这个问题，已有若干种解决方案，如直接屏蔽控制芯片驱动信号、直接升频控制、升频控制结合脉宽调制（PWM）控制和加钳位二极管的变结构LLC拓扑等。但以上方法都存在各自的缺点，如直接升频控制会导致开关频率过高、开关关断损耗增大；升频控制结合PWM会导致开关管失去软开关条件；加钳位二极管的变结构LLC拓扑的限流阀值受输入电压影响较大，在高端输入电压下限流效果差。为此，本文提出一种新型的具有自限流的LLC谐振变流器拓扑。

二、理论分析

如图1所示，本文提出的LLC拓扑电路主要结构与传统的LLC谐振变流器相同，只增加了一个小功率变压器T2以及2个二极管D3和D4。具体工作原理简单描述如下：正常工作下，辅助电路不起作用，电路工作与传统的LLC谐振电路相同。当过流或短路情况出现时，谐振电容两端电压升高。当该电压上升到折算到变压器T2副边超过输出电压时，二极管D3和D4交替导通，谐振电容电压被钳位，从而谐振电流也被钳位，此时谐振电容等效成一个电压源。由于本文提出的拓扑对谐振电容钳位的电压源是输出电压源，其幅值不会随输人电压变化而改变，因此负载限流阈值受输人电压变化影响相对较小。此外，如果在控制上引入限流环，在过流的情况下限流环起作用使输出电压降低，从而可以进一步限制电流上升。因此，本文提出的LLC谐振变流器具有更好的限流性能。而且通过优化设计谐振电路参数，限流阈值变化窗口可以进一步得到优化。下文将分析如何优化选择谐振电路参数。

在LLC谐振变流器中，正常工作频率范围主要与Lm和Lr的比值有关，表示如下：

式中：Lm 是主变压器的激磁电感量；Lr是谐振电感量； f r是谐振频率，从电路优化工作的角度考虑通常会选择额定工作情况下（输入电压高端，满载）的电路工作频率为谐振频率fr；fmin是电路的最低工作频率，出现在最低输入电压处。

根据式（1），可以得到开关频率变化范围与Lm/Lr的关系曲线如图2所示。可以看出Lm /LI的比值越小，工作频率变化范围越窄。


另一方面，由于限流是通过对谐振电容的电压进行钳位实现的，因此限流阈值变化窗口与谐振电容的电压变化相关。为了得到较好的限流效果，要求谐振电容电压变化范围越窄越好。易推出谐振电容电压变化范围与变流器的工作频率相关：

式中：n是主变压器原副边匝比；Vcmax是谐振电容两端电压峰值的最大值，出现在最低输入电压时；Vcmin是谐振电容两端电压峰值的最小值，出现在最高输人电压时。
根据式（2），可以得到谐振电容电压与开关频率的关系曲线如图3所示。

由图3可知9 Vcmax /Vcmin随fmin/，fr增大而减小。结合图2可以发现，如果Lm /Lr越小，则电路正常工作频率变化范围越窄，谐振电容Cr上电压变化也越小，从而可以得到较窄的限流阈值变化窗口。

本文提出的LLC谐振变流器另一个较突出的优点体现在当短路情况发生时其固有的限流特性，特别是当在控制上结合变频方法时。当短路情况发生时，辅助变压器T2副边被短路，得到本文提出的LLC谐振变流器的等效电路见图4。为便于比较，得到传统的LLC谐振变流器在短路情况下的等效电路如图5所示。可以看出前者的等效回路阻抗为单卜个电感，而后者是电感和电容组成的谐振单元。计算可知，当频率高于谐振频率时前者的等效回路阻抗远大于后者，因此短路电流也远小于后者。


三、计算与仿真分析

对一个输出为110 V/10 A的电力操作电源应用实例进行计算分析，其中电路指标如下：输入电压300V～400 V；输出电压110 V；输出电流10 A；正常工作频率150 kHz-200 kHz。

根据上文的分析，优化设计谐振参数过程如下：

1．设定谐振电容电压峰值为260 V，可以计算出谐振电容约为44 nF；
2．根据谐振电容值以及谐振频率，可以计算出谐振电感约为13.5μH；
3．根据正常工作开关频率范围由图2查到Lm/Lr 为3.393，从而计算出变压器激磁电感约为54μH。

电路中的其他参数设计过程与传统LLC谐振变流器类似，可以参考文献，这里不再详述。计算出的主要参数以及根据计算的参数选定的主要半导体器件型号如下：变压器匝比为9：5：5；变压器磁心为EE42C；变压器激磁电感Lm为54μH；谐振电感磁心为RM10；谐振电感Lr为13.5μH；谐振电容Cr为44 nF；辅助变压器匝比为14：5：5；辅助变压器磁心为RM10；D3，D4为MBR2030PT；原边开关管为IRFP22N50；D1，D2为MBR3030PT。

图6是计算的短路情况下的平均输出电流与开关频率的关系曲线。由图中可以看出，假设平均输出龟流限制在12.5 A，传统的LLC谐振变流器工作频率需要增加到385 kHz，而本文提出的LLC谐振变流器只需要增加到265 kHz，这意味着电路最大的开关频率得到了大幅降低。


本文提出的LLC谐振变流器在额定输入电压（<400 V）下短路时的saber仿真波形如图7所示。从图中可以看出，当开关频率在265 kHz时平均输出电流约为11.92 A。计算与仿真之间的差异主要是由于仿真时多考虑了线路上的一些寄生参数。


四、实验结果

根据上述的理论计算和仿真分析，制造了一台输出为110 V/10 A电力操作电源样机，用来验证本文提出的LLC谐振变流器的性能，电路指标、主要参数与主要元器件选择与计算、和仿真时的参数相同。

测量出正常工作模式下的主要波形如：图8～图11所示。图8和图9分别是300 V输人电压情况下正常工作时测量的谐振电容电压波形和原边的电流波形。


图10和图11分别是400 V输人情况下正常工作时测量到的谐振电容电压波形和原边的电流波形。根据波形可以看出，Vcmax/Vcmin约为1.67，而f min/ f max约为0.75，与图2和图3所计算出的曲线值基本一致。


图12所示是400 V输人时短路情况下测得的谐振电容两端的电压波形和原边电流波形。将原边电流折算到副边计算出输出平均电流约为12 A，与理论计算及仿真结果基本符合。


表1所示是测量的效率，可以看出，尽管对电路参数的优化主要是针对限流保护进行考虑的，仍可以获得很高的效率。

五、结语

本文提出和研究了一种新型的具有自限流功能的LLC谐振变流器拓扑，其良好的自限流功能使得即使在短路情况发生时也能有效地限制电路电流，防止电路元器件损坏。结合LLC谐振变流器自身适用于高输出电压的优点，该拓扑尤其适用于电力操作电源等工业应用场合。本文对电路参数的优化选择进行了详细的理论分析，为优化变流器限流性能提供了理论依据。