LCC諧振兩級式高壓直流電源關鍵技術研究.pdf

1、高壓直流電源廣泛應用于工業(yè)生產、醫(yī)療器械、環(huán)境治理等眾多領域，對國民經濟發(fā)展起到至關重要的作用。諧振變換器具有良好的軟開關特性，易于實現高效高頻化發(fā)展。LCC串并聯諧振變換器能夠利用變壓器寄生參數、具有較好的負載保護能力和輸出調節(jié)能力，是實現高壓直流電源的理想拓撲結構之一。LCC諧振變換器作為一種強非線性系統(tǒng)，復雜的工作過程增加了分析與設計的難度。傳統(tǒng)高壓直流電源前級一般采用二極管整流器，主要弊端為功率因數較低，同時會向電網注入大量諧波

2、電流。因此采用可控型前級整流器成為高壓直流電源的重要發(fā)展趨勢。本文選擇前級為VIENNA整流器、后級為LCC諧振變換器的兩級式高壓直流電源拓撲結構，圍繞數學建模、穩(wěn)態(tài)分析、參數設計、控制方法優(yōu)化等關鍵技術展開了深入研究。主要取得的研究成果如下:
　　利用動態(tài)相量法建立了前級VIENNA整流器的數學模型，基于該模型分析了直流側中點電位的特性。由于中點電流在每個周期內的平均值不為零，所以導致直流側中點電位不平衡同時存在低頻振蕩。采用調

3、制波疊加零序分量的方法對中點電位進行平衡，以直流分量和三次諧波分量為主導成分，將零序分量分解為二者疊加的形式，并分別推導了其與中點電流的數學表達式。在此基礎上提出一種基于零序注入的單周期控制方法，分別計算零序的直流分量和三次諧波分量，并通過系數調節(jié)二者的比例關系。該方法能夠在平衡中點電位的同時抑制低頻振蕩，有效地解決了前端VIENNA整流器的直流側中點電位問題。通過仿真和實驗驗證了控制方法的有效性。
　　針對單電容濾波LCC諧振變

4、換器的強非線性特征，將并聯諧振電容、高頻變壓器、副邊整流器及輸出濾波電容等效為一個復數阻抗，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模型，將諧振電壓、電流等狀態(tài)變量的時域微分方程轉換為復數形式，提高了仿真速度同時能夠準確表征變換器的穩(wěn)態(tài)特性?；诘刃щ娐泛痛笮盘柲Ｐ?，分析了LCC諧振變換器的直流電壓增益、諧振電流、軟開關等穩(wěn)態(tài)特性，指出了負載、開關頻率、輸入阻抗角、整流關斷角以及諧振電容比等關鍵電路參數對諧振變

5、換器穩(wěn)態(tài)性能的影響，給出了參數的設計原則。在穩(wěn)態(tài)分析的基礎上提出了一種限定輸入阻抗角的諧振變換器參數設計方法，使變換器在滿足輸出要求和軟開關條件的同時實現諧振電流優(yōu)化，提高了諧振變換器的效率。通過仿真和實驗驗證了理論分析和參數設計方法的可行性和有效性。
　　在LCC諧振變換器大信號模型的基礎上，首先建立了傳統(tǒng)移相調制的完整主電路小信號模型和非對稱移相調制的主電路小信號模型。然后重點研究了數字移相調制器的小信號模型。利用動態(tài)相量法推

6、導了數字移相調制器輸入指令值至輸出移相角的傳遞函數，揭示了數字移相調制過程中存在小信號延時這一特征。對于傳統(tǒng)數字移相調制器，其小信號延時是移相角和開關周期的函數，還和具體的調制方式有關。對于非對稱數字移相調制器，占空比和移相角兩個輸入之間的耦合作用只有當考慮高次諧波分量時才變得較為明顯，實際中為了簡化分析可以忽略不計;其小信號延時同樣是移相角和開關周期的函數，與占空比無關。通過仿真和實驗結果驗證了理論分析的正確性。
　　為了進一步

7、提高LCC諧振變換器的效率，提出了一種非對稱移相控制方法。該方法有占空比和移相角兩個控制變量，通過PWM移相混合調制實現了對二者的單獨調節(jié)，增加了控制的自由度。對諧振變換器的輸出功率、軟開關及諧振電流等穩(wěn)態(tài)特性進行了分析。分析結果表明同一輸出功率可由不同的控制量組合來實現。即同一輸出功率對應無限多個穩(wěn)態(tài)工作點，各穩(wěn)態(tài)工作點之間由于控制變量組合的不同導致了軟開關特性和諧振電流特性不同。在理論分析的基礎上提出了一種效率優(yōu)化策略，對于任意輸出

8、功率能夠搜尋最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點，在保證軟開關的前提下使諧振電流減小。從而降低了導通損耗，提升了LCC諧振變換器的整體效率。最后分析了移相調制器等數字控制環(huán)節(jié)造成的小信號延時對控制環(huán)路的影響，為控制器參數設計提供了理論依據。通過仿真和實驗結果驗證了本章理論分析的正確性。
　　本文針對前級采用VIENNA整流器、后級采用LCC諧振變換器的兩級式高壓直流電源，利用動態(tài)相量法建立了前后兩級變換器的動態(tài)模型。提出了VIENNA整流器直流側中點電