LLC全橋變結構控制高壓直流變換器

盧紹成　鄧春明　李步錦　韋唯　危秋珍

摘 要： 當LLC全橋變換器的變壓器副邊繞組匝數較多時，分布電感和分布電容較大，在變換器的幅頻特性中出現附加的諧振峰，使調頻控制的控制范圍減小，甚至完全失效。提出LLC全橋調頻控制和移相控制相結合的變結構控制方法，兼顧擴大控制范圍和減小開關應力兩方面的性能。根據大功率配網故障定位儀的要求，研制了LLC全橋變結構控制的高壓直流變換器樣機。用F28335 DSP實現整機控制，完成調頻和移相控制的轉換，并根據故障狀態，分別實現恒流、恒功率和恒壓反饋控制。設計的高壓直流變換器，最大輸出電壓為20 kV，最大輸出電流為0.5 A，最大輸出功率4 kW。樣機在實際應用中取得良好效果，驗證了分析方法和設計方案的正確性。

關鍵詞： LLC全橋變換器； 高壓直流變換器； 變結構控制； 故障定位

中圖分類號： TN773?34； TM46 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0145?04

HVDC converter with LLC full bridge variable structure control

LIU Longhua1， HUANG Hongquan2， HUANG Qizhe1， LI Minqiang1， LU Shaocheng1，

DENG Chunming1， LI Bujin1， WEI Wei1， WEI Qiuzhen1

（1. Hechi Power Supply Bureau， Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Hechi 547000， China；

2. College of Electrical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： The large distributed inductance and distributed capacitance caused by the more number of transformer secondary windings makes the unexpected resonant peak appear in amplitude?frequency characteristic of the converter， which can reduce the control range of the frequency modulation control （FMC）， or result in complete failure. A new variable structure control method in combination with LLC full bridge FMC and phase?shifting control （PSC） is proposed， which can expand the control range and reduce the switching stress. According to the requirements of the high?power distribution network fault locator， the prototype of HVDC converter with LLC full bridge variable structure control was developed. The complete machine control is realized by DSP F28335 to accomplish the conversion between FMC and PSC. The constant current， constant power and constant voltage feedback control are implemented according to the fault state. The maximum output voltage of the HVDC converter is 20 kV， maximum output current is 0.5 A， and maximum output power is 4 kW. The prototype achieved perfect effect in practical application. The correctness of the analysis method and design scheme was verified.

Keywords： LLC full bridge converter； HVDC converter； variable structure control； fault location

0 引 言

LLC橋式變換器具有變壓器利用率高、功率開關管應力小、電流波形好等特點，在大功率開關變換器中應用廣泛。移相控制的LLC變換器控制方式簡單，輸出調節范圍寬，可實現部分功率開關管的軟開關[1?6]。基于諧振特性的調頻控制LLC變換器能實現全部功率開關管的軟開關[7?9]，但其最高工作頻率受功率器件的限制，輸出調節范圍不大。在研制配網故障定位用的高壓直流變換器時發現：當變換器的輸出電壓很高且負載電阻較大時，變壓器輸出繞組的分布電感和分布電容不能被忽略，LLC橋式變換器中出現附加的高頻諧振峰，使調頻控制方式完全失去輸出控制能力，必須采用其他控制方式。調頻控制和移相控制具有性能互補的特點，根據不同的負載條件，進行兩種控制方式的切換，即采用變結構控制，可以兼顧擴大控制范圍和減小開關管開關應力兩方面的要求。

我國的配電網采用小電流接地方式以提高供電可靠性。當發生接地故障時，故障電流小，難于在線計算故障位置。文獻[10]提出了一種離線S注入法，在電網停電維修時，確定故障位置。離線S注入法對其中的高壓直流變換器的性能要求很高。采用LLC全橋調頻和移相控制相結合的變結構控制模式，研制了一套故障定位儀用的高壓直流變換器樣機。現場使用表明樣機具有較高的實用價值。

1 LLC全橋高壓直流變換器主電路拓撲及性

能分析

LLC全橋高壓變換器的主電路拓撲如圖1所示。IGBT管VT1，VT2，VT3和VT4組成全橋開關電路，CR和LR組成串聯諧振電路。由于輸出電壓很高，變壓器T副邊匝數多，故采用全橋整流輸出電路。

另一個是由CR，LR和LM決定的低頻串聯諧振頻率，其對變換器的控制性能影響不大。為了保證變換器工作在感性負載區，變換器工作頻率應大于[fR]。在LLC高壓變換器中，當負載電阻較大時，Lo和Co組成Q值較大的二階低通濾波環節，在高頻區形成一個附加的諧振峰，如圖3所示。對研制的高壓變壓器進行測試，發現附加的諧振頻率在70 kHz左右，與IGBT的最高工作頻率接近，對控制性能影響較大。

當負載電阻較小時，幅頻特性曲線中僅有一個諧振峰，諧振頻率由LR和CR決定，本文設計[fR]=18 kHz。在軟開關情況下，取IGBT的工作上限頻率為25 kHz。在18～25 kHz之間，幅值隨頻率變化很大，采用調頻控制方式可有效控制輸出量，并實現全部IGBT管的零電壓軟開關。當負載電阻較大時，低頻串聯諧振峰和變壓器副邊繞組諧振峰的影響增大，幅頻特性曲線上出現另外兩個諧振峰。改變頻率對輸出幅值的控制作用減弱，甚至出現相反的控制作用。

在這種情況下，顯然不能用調頻控制方式，可采用移相控制方式。調頻控制和移相控制的選擇主要取決于負載電阻。

對本文設計的高壓直流變換器而言，可采用如下的變結構控制策略：

（1） 如果當前采用的是調頻控制，在負載電阻大于35 kΩ，或者工作頻率已經調整到最高頻率而輸出量仍高于給定量時，控制方式由調頻轉為移相；

（2） 如果當前采用的是移相控制，在負載電阻小于25 kΩ，或者移相角已經調整到最大值而輸出量仍低于給定量時，控制方式由移相轉為調頻。

負載電阻較大時，輸出電流較小，采用移相控制，雖不能實現全部功率管軟開關，開關應力也不大。負載電阻較小時，輸出電流較大，采用調頻控制，全部功率開關管實現零電壓開通，開關應力明顯降低。

2 用于大功率配網故障定位儀的高壓直流變換

器的設計

基于S注入的離線式配網故障定位儀對所用的高壓直流變換器的性能要求很高。以35 kV配網故障定位儀為例，高壓直流變換器的輸出電壓不小于20 kV，最大輸出電流不小于500 mA，負載電阻范圍從零到無窮大。

由于是在停電狀態下戶外使用，供電電源為蓄電池或自備發電機，要求采用恒功率控制，在保證供電電源安全的條件下，輸出盡可能大的功率，以提高故障定位的精度和成功率。在輸出的直流上，還需疊加可供測量的低頻交流信號，以便信號探測器能遠距離探測追蹤故障電流信號，確定故障位置。

根據配網故障定位儀的實際使用情況，LLC全橋高壓直流變換器可工作在恒流控制區、恒功率控制區和恒壓控制區3個工作區域，如圖4所示。

圖4中AB段為恒流控制區，在負載電阻很小時，輸出電流不超過Imax。BC段為恒功率控制區，在負載電阻較大時，輸出功率不超過設定的最大功率；CD段為恒壓控制區，在負載電阻很大時，輸出電壓不超過設定的最大電壓Vmax。由于需要疊加可供測量的低頻交流成份，3個工作區域都應該是穩定可調的，而不能采用簡單的飽和控制方式。

在故障定位過程中，故障點未擊穿時，故障線路上只有較小的泄漏電流，等效負載電阻很大，高壓LLC變換器工作在恒壓控制區，采用移相控制，工作電流很小，功率管的開關應力不大。故障點擊穿后，故障線路等效負載電阻下降，電流增大，高壓LLC變換器工作在恒流控制區或恒功率控制區，采用調頻控制，全部功率開關管零電壓開通，降低開關損耗。用于配網故障定位的LLC全橋高壓變換器的控制比較復雜，用硬件電路實現比較困難，采用基于軟件的控制方式卻相對簡單。

TMS320F28335是一款具有強大控制功能的數字信號處理器（DSP），運算能力強、速度快、片內帶有多通道12位ADC模塊和增強型脈寬調制（ePWM）模塊，可以通過編程的方式實現全橋變換器的閉環PWM控制、調頻控制和移相控制。

基于DSP的全數字LLC全橋高壓直流變換器控制原理框圖如圖5所示。

DSP的輸出管腳PWM1A，PWM1B，PWM2A和PWM2B經隔離放大后驅動4個IGBT管（見圖1）。高壓變換器的輸出電流和電壓分別由電流和電壓傳感器送至DSP芯片內部的ADC，轉換為12位數字信號，電流和電壓相乘可得到功率反饋信號。

給定信號發生器用于產生給定電流、給定電壓和給定功率。給定信號為直流分量疊加特定頻率的交流分量。隨著線路故障狀態的變化，LLC全橋高壓直流變換器的工作狀態在各個工作區內快速切換。

在控制系統中設有電流、電壓和功率3個PI控制器，由工作區域選擇模塊按故障狀態選擇合適的控制器。

由于變換器的電壓、電流和功率增益差別較大，3個PI控制器的參數應分別設定。調制方式選擇模塊根據變換器工作情況選擇調頻控制和移相控制方式，軟件實現調頻控制和移相控制的轉換是很容易的。當移相控制的相角固定在180°，改變脈沖周期，就成為調頻控制。當調頻控制的脈沖頻率固定不變，改變兩個橋臂驅動脈沖的相位差，就成為移相控制。

DSP的ePWM模塊中的時基周期寄存器TBPRD決定脈沖控制周期，改變TBPRD的值即可改變脈沖頻率，實現調頻控制。ePWM模塊中的移相寄存器TBPHS決定脈沖控制的起始時刻，改變TBPHS的值即可改變脈沖相位，實現移相控制。

在圖1所示的電路中，用ePWM模塊實現調頻控制，需要保持TBPHS=0不變，在每個控制周期中動態計算下一個周期值，并改變ePWM模塊1和模塊2的4個寄存器，即TBPRD1=TBPRD2=周期值，CMPA1=CMPA2=[12]周期值。用ePWM模塊實現移相控制，只需保持TBPRD，TBPHS1和CMPA不變，在每個控制周期中動態計算下一個相位值，并改變模塊2的TBPHS2。當TBPHS2的值為零時，相位差為零，兩個橋臂導通的時間一致，變壓器輸入的電壓為零。

當TBPHS2的值為[12]TBPRD時，兩個橋臂導通的相位差為180°，變壓器輸入的電壓最大。將研制的LLC全橋高壓直流變換器投入使用，用電流傳感器測量變壓器輸入電流波形，用電壓傳感器測量IGBT管電壓波形，結果見圖6。

在調頻諧振狀態下，變壓器的電流波形接近正弦波。在IGBT管由關斷轉為導通的時刻，流過IGBT的電流為負，反并聯的續流二極管處于導通狀態，電壓為零，實現了零電壓導通。IGBT管關斷時刻，電流已經由最大值下降到較低水平，關斷應力也較小。

3 結 語

LLC全橋變換器采用諧振調頻控制方式，可實現全部開關管的軟開關，但其控制范圍有限，特別是當變壓器的副邊繞組漏感、分布電容和負載電阻較大時，調頻控制方式可能完全失效。在這種情況下，用移相控制方式取代調頻控制方式，可以克服調頻控制方式的缺點。在用于配網故障定位儀的LLC全橋高壓直流變換器中，采用調頻控制和移相控制相結合的變結構控制方式，既能滿足負載大范圍變化時對控制性能的要求，又能顯著減小IGBT的開關應力，提高效率和可靠性。

參考文獻

[1] 梁永清，黃志強.雙閉環控制的移相全橋軟開關變換器的研究[J].現代電子技術，2014，37（8）：156?158.

[2] 王秀麗.用PWM芯片實現全橋移相ZVS隔離DC_DC變換器的研究[J].現代電子技術，2012，35（2）：188?190.

[3] 孫瑞波，沈錦飛.LLC諧振高頻逆變器新型移相控制研究[J].電力電子技術，2014，48（7）：16?18.

[4] 張晉瑋，周東方.基于移相控制的全橋LLC倍壓諧振變換器[J].電力電子技術，2013，47（5）：94?96.

[5] 張年福，周躍慶.新型LLC諧振負載感應加熱電源移相控制研究[J].電源技術，2012，36（11）：1693?1696.

[6] 李莉，李建兵，徐靜波，等.基于自激移相調制的LLC變換器特性分析[J].電子技術應用，2015，41（8）：117?119.

[7] 喬世波，盧樂，路凱飛，等.基于LLC隔離的光伏并網逆變器研究[J].現代電子技術，2013，36（18）：164?167

[8] 唐治德，張正茂，楊紅，等.全橋LLC串聯諧振X光機高壓直流電源[J].重慶大學學報，2012，35（3）：85?90.

[9] 陳申，呂征宇，姚瑋. LLC諧振型軟開關直流變壓器的研究與實現[J].電工技術學報，2012，27（10）：163?168.

[10] 張慧芬，潘貞存，桑在中.基于注入法的小電流接地系統故障定位新方法[J].電力系統自動化，2004，28（3）：64?66.

[11] 袁昌斌，董升亮，李超.滑模變結構在AUV航向控制中的應用[J].現代電子技術，2012，35（20）：117?120.