基于模塊化多電平拓撲的諧振變換器設計

遲 震，王麗媛

（1.中天海洋系統有限公司，江蘇 南通 226010；2.中天科技海纜股份有限公司，江蘇 南通 226010）

0 引 言

水下接駁裝置在海洋科學科學研究、海洋資源開發及海洋災害預警等領域中發揮著重要的作用，高壓直流變換器是水下接駁裝置中重要的電能轉換設備。岸基側高壓輸電到海底接駁盒，通過高壓直流變換設備將岸基傳輸的高壓電降壓為低壓，海底接駁盒內電源系統再進行二次降壓，為海底設備提供可靠穩定的電能[1]。高壓直流變換裝置需要通過拓撲結構解決高電壓輸入問題，減小每個功率器件的電壓應力[2-5]。文獻[6]提出了一種模塊化結構的多相多電平LLC諧振變換器，以3個模塊化結構為例分析了變換器變頻控制策略下的變換器的工作原理，通過基波分析法得到了變換器的等效電路模型，但未考慮到電容的均壓控制。文獻[7]提出了一種半橋型LLC變換器，通過基波分析法對半橋型LLC諧振變換器進行了穩態分析，給出了變換器諧振電容、諧振電感及勵磁電感的設計方法。文獻[8]提出了MMC控制系統中子模塊控制器的設計方法，闡述了子模塊控制器在MMC控制系統中的作用，著重從硬件角度介紹了保護和驅動功能并進行了驗證。文獻[9]對傳統模塊化多電平換流器建立了時域等效模型，提出了快速仿真算法，該算法對子模塊進行近似處理，降低了模型矩陣規模，提升了仿真速度。

1 變換器拓撲及電路模型

1.1 變換器拓撲結構

模塊化多電平LLC諧振變換器的拓撲結構如圖1所示。其中，Cin為均壓電容，上下橋臂各由N個子模塊和一個橋臂電感Lr串聯，Cr為變換器諧振電容，Lm為高頻變壓器勵磁電感，D1～D4為整流二極管。

1.2 諧振單元及整流電路模型

模塊化多電平拓撲采用階梯波調制方式，可輸出類似半橋拓撲輸出的方波，因此可將模塊化多電平拓撲可近似一個交變電源，簡化后的諧振變換器等效電路模型如圖2所示，Rco是輸出電容Co的等效電阻，Rr是諧振電路的電感與電容的等效寄生電阻。忽略MMC單元的橋臂電壓上升下降沿，施加在諧振腔輸入端的電壓Vin近似為賦值為Vg，占空比為50%的方波。

諧振變換器有兩個諧振頻率，可表示為

式中，Lr為諧振電感；Cr為諧振電容；fr為諧振電感Lr與諧振電容Cr的諧振頻率；Lm為變壓器勵磁電感；fm為諧振電感Lr、勵磁電感Lm的和與諧振電容Cr的諧振頻率。

2 變換器設計

2.1 變換器諧振單元設計

采用基波近似法得到的諧振腔等效電路如圖3所示。

圖中橋臂電感和變壓器漏感共同組成諧振電感Lr即

式中，Lleg為橋臂電感；Lk為變壓器漏感。

Req為負載折算到變壓器原邊的等效電阻，表示為：

式中，Ro為負載電阻；Vo為輸出電壓；Po為輸出功率。從上式可看出，等效電阻與負載有關，因此不同負載下，諧振網絡增益也有變化。

考慮到功率器件的開關損耗和變壓器體積等因素，設定變換器諧振頻率為10 kHz。此時，諧振電感Lr和諧振電容Cr滿足以下關系：

品質因數Q和電感比λ表達式為

從式6-7中，可以發現諧振電感Lr、諧振電容Cr和勵磁電感Lm的關系被諧振頻率fr、品質因數Q和電感比λ所制約，歸一化方波頻率fn、品質因數Q和電感比λ作為變量，諧振網絡直流增益M與三者關系表示為

電感比λ不變時，直流增益隨著品質因數Q增大而減小。品質因數Q不變時，直流增益隨著電感比λ增大而增大。變壓器勵磁電感Lm的選取一方面取決于勵磁電流大小，另一方面合適的勵磁電感可讓橋臂子模塊開關管實現一定的軟開關，從而降低開關損耗，取勵磁電感Lm=10 mH。

諧振電容和諧振電感滿足式（6），當勵磁電感一定時，改變諧振電容，諧振電壓也會發生變化，諧振電壓隨諧振電容增大而減小。諧振電感一定時，變換器直流增益范圍隨諧振電容增大而減小。根據系統對增益的需求，結合上述諧振電容、諧振電感對變換器直流諧振增益的影響，選取諧振電感Lr= 844 μH，諧振電容Cr= 300 nF。

2.2 諧振單元控制器設計

圖4為LLC單元閉環控制結構圖，其中Gc為需要設計的補償環節，Gvco為PFM產生器的頻域模型，Gvw為上述頻率到輸出的傳遞函數，H為采樣環節。

代入系統參數后，LLC系統開環本身是穩定的，但直流增益較小，為了獲得更好的動態和穩態特性，需要對該電路進行環路補償。通常要求補償后的開環伯德圖的幅值穿越頻率小于諧振頻率的1/10。采用PI補償器，為了滿足穿越頻率wc和整個系統低頻段的增益要求，比例系數應該選取一個合適的值。補償后的系統開環波特圖如圖5所示。

3 變換器仿真及實驗驗證

為了驗證變換器參數設計和控制器設計，搭建了變換器電路及控制器模型。仿真模擬了輸入電壓10 kV下，0.05 s時變換器從半載到滿載切換，輸出電壓和輸出電流的動態響應如圖6所示。變換器實際半載到滿載測試如圖7所示。從仿真結果可以看出，變換器從半載到滿載切換過程中，輸出電壓瞬態變化10 V左右，10 ms后輸出電壓穩定，穩定后的電壓紋波3 V以內，變換器的動態響應和穩態誤差符合變換器設計要求。

4 結 論

為了解決高壓直流變換器的高電壓輸入、輸入輸出電壓變比大的問題，設計了一種模塊化多電平LLC諧振變換器拓撲，介紹了變換器的工作原理和電路模型，對變換器進行了模型搭建和電路仿真，最后進行了樣機測試，實測和仿真結果表明，模塊化多電平LLC諧振變換器可以有效解決變換器高電壓輸入問題，變換器動態響應快，輸出電壓穩態誤差小，輸出電壓紋波小。