雙向CLLLC型DC-DC變換器變頻控制方法分析

張 路，劉耿博，曹彥哲

（西安麥格米特電氣有限公司，陜西 西安710075）

變換器變頻控制屬于核心技術，可以對PET整體效率產生影響，另外和功率、密度的關系也十分緊密，是近幾年PET研究的熱門。隨著現實用電需求的逐年遞增，供電網壓力劇增，對于電力行業來說，巨大挑戰下也隱藏著機遇，怎樣在電力系統中高質量融入可再生能源，成為社會關注焦點，是電力系統亟需完成的核心任務。變換器變頻控制技術的提升，是智能電網升級的前提，應用前景較為廣闊。

1 CLLLC變換器的運行原理分析

1.1 CLLLC變換器的結構

在能源日益緊張的背景下，變換器變頻控制被廣泛應用于電網，其優越性在使用中被逐漸凸顯出來，可以起到節能環保的顯著作用，應用價值越來越高。想要對變換器控制方法進行優化，創新出效果理想的控制策略，需了解變換器的運行機理，掌握其核心構件，了解各構件的組成關系，確保變換器功能發揮。CLLLC變換器較為常見，應用范圍較廣，從拓撲關系中可以明顯看出其結構特征，屬于完全對稱的狀態。

CLLLC諧振變換器拓撲如圖1所示。CLLLC諧振變換器拓撲的運行原理相對復雜，正向工作時，發生作用的是S1與S12，處于正向工作狀態時，兩點的驅動信號會比較強烈，和S14與S13形成勢均力敵的局面，占空比達到了50%。另外，從圖1還可以發現，開關S11和S12存在一定聯系，可以同時導通，但是兩者依舊有區別，S1的關斷時間要早于S12[1]。像這樣的情況，也可以發生在開關S14和S13身上，兩者也是同時導通的，S14會被提早關斷。通過觀察S12和S13的位置關系可以發現，兩者的驅動信號互補，占空比為50%，實際控制時，無論是哪種互補驅動信號，都會存在比較明顯的死區時間。同理，反向工作時，逆變功能依舊存在，可以實現不控整流功能。此時變換器結構處于正常運轉狀態，與正向工作原理相同。綜上可以發現，無論是正向還是反向，其原理不會存在較大差異，變換器可以在沒有額外電路情況下，完全發揮出軟開關特性，換句話說就是，整流二極管最終能夠達到ZCS，主功率管能夠達到ZVS。

圖1 CLLLC諧振變換器拓撲

1.2 諧振工作過程分析

除了掌握變換器結構之外，想要充分理解其運行原理，找到變頻控制策略優化的切入點，還需要了解諧振工作過程，在此基礎上進行全面、細致、深入分析，以便進一步提高變頻控制效率。CLLLC諧振變換器的性能較為顯著，具有一定的代表性，工作在諧振點呈現出主要波形規律。在諧振點時，無論輸入電壓發生怎樣的變化，即使處于負載條件下，最終所得到的增益M均為1。另外，當開關關斷時，能量傳播路徑被切斷，不再完成從一次側到二次側的傳播，代表一個工作周期結束，并且恰好完成了諧振的過程。在死區時間內，可以完成對寄生電容的高質量充放電動作，開關管實現ZVS，并且ZCS狀態也將實現，此時變換器達到理想運行狀態。

2 諧振參數優化設計

掌握了變換器運行原理后，接下來就可以進行針對性的優化工作，重點對諧振參數進行優化和重新設計，以此來保障系統的性能。其中ZVS軟開關條件的優化十分重要。一般情況下，開關管處于工作狀態時，會伴隨不同電壓電流出現，形成較為復雜的相位關系，一種是超前電壓，這種情況較為常見，當管子處于尚未關斷的狀態時就有反向電流流過，那么此時的開關管電流顯示為0 A，基于這樣的狀態，想要實現ZVS是不可能。與此同時，寄生二極管的作用將會被弱化，在反向恢復時間內，橋臂直通的可能性將大幅度提升，從而增大電源損壞概率。另外一種是滯后電壓，這種電壓的存在，為開關管達到理想狀態創造了條件。通常情況下，當開關管還沒有被完全導通時，在開關管中會存在一股反向電流，這種電流可以幫助開關管達到ZVS的狀態，因此要善于借助這種反向電流，從而改善系統的運行質量與效率，提高穩定性。

3 高效率控制策略

在對相關參數進行優化后，為了保證系統可以達到理想的控制目標，實現安全、可靠運行，大幅度提高系統運行效率，減少故障的發生，需要針對系統現階段的運行特征，提出高效控制變頻的方法，以此來實現資源的合理化利用，提高電網配置的科學性與合理性。另外，采用高效率的控制策略，還可以提高抗沖擊能力，對NPC電容形成有利保護，并且進一步優化儲能系統，確保CLLLC變換器具有軟啟動功能，并且能夠平穩完成電壓的持續輸出，由此可見，控制策略掌握與應用非常重要。與此同時，諧振變換器在運行階段，常用PFM控制，這種控制系統有一定的特殊性，在負載較輕時，結合相關的開關頻率理論，需要調節到最大值，才能確保發揮出實際功效[2]。因此，為了達到這樣的使用效果，磁性元件設計往往相對復雜。為了改善這種應用現狀，提高變頻控制器的利用率，開展CLLLC相關方面的研究變得十分重要，具有積極意義，為電網高效、安全運行提供保障。經過反復實踐，目前較為有效的變頻控制策略主要有以下幾種。

3.1 軟啟動控制方法

軟啟動控制方法的功效性十分顯著，是一種應用較廣的控制策略，將其應用到變頻系統中，可以完成對系統性能的改良，讓系統性能更加平穩。CLLLC諧振變換器的作用隨著應用范圍的擴大也逐漸顯現出現，當其正常啟動時，通常情況下，會處于一種默認狀態，允許一次側NPC電容完成充電指令，此時的輸出電壓為0。基于這樣的前提，可以直接使用基于PFM控制的信號去完成驅動，對一次側開關管進行控制，從相關的等效電路中可以清晰看出，橋臂輸出電壓呈現出較為明顯的特征，已經全部加在CLLLC諧振上，在此基礎上，可以持續完成對二次側NPC的充電。值得注意的是，在此過程中，會有較大沖擊電流出現，基于這樣的前提，擊穿開關管的概率將會提高，出現過壓問題，導致諧振電容損壞，另外NPC電容的安全性也無法保障。通過對比分析發現，傳統CLLLC變換器的控制效率降低，控制時主要是利用調整開關頻率來降低增益，最終啟動控制系統。這樣的方式存在嚴重的滯后問題，局限性十分明顯，當頻率達到定值時，想要提高頻率就會十分困難，不能有效降低增益。與此同時，在控制系統運行時，會受到開關管的特性局限，影響開關頻率。總而言之，簡單的高頻啟動不能等同于理想的啟動效果，低電壓安全啟動較難達到，必須在原有控制策略的基礎上引用軟啟動來保證CLLLC功能性發揮，確保其可以安全啟動運行，并且降低故障率。

3.2 輸出電壓滯環控制方法

除了軟啟動之外，電壓滯環控制方法也是一種較為有效的控制手段，可以達到理想的控制目標，大幅度提高系統控制效率。結合CLLLC變換器的原理可以發現，當其處于輕載條件下，輸出端電阻值會達到很高，可以滿足穩壓需要的工作頻率要求，但是不利于設計和優化磁性元件，另外還會提高對開關管性能和驅動板效率的要求，使要求變得相對嚴格。從目前的情況看，想要對變換器的輕載問題進行改良，主要還是依靠調整開關頻率的方法，降低其頻率，實現合理控制。

本文研究對象是一種基于電壓滯環的Burst PFM先進控制方法，該方法一經提出，就得到了廣泛應用，并且成效十分顯著，可以大幅度提高系統控制效率。研究表明，當系統處于輕載狀態下時，Vo（輸出電壓）會出現逐漸上升的趨勢，并最終超出可以調節范圍，此時就可以引入Burst_PFM工作模式，確保輸出電壓V的值穩定。

3.3 同步整流數字控制方法

除了上述方法外，還可以依靠同步整流數字的方法來實現高效控制，實踐表明，當開關管在不控整流狀態下，關斷損耗會比較明顯。導通壓降特性（寄生二極管的）是影響運行效率的核心因素，不容忽視。導通損耗用公式可以表示為：p=VF·I，式中VF為導通壓降，I為電流有效值。

為了提升系統效率，借助同步整流技術，可以達到較為理想的目標。但是該技術的應用也存在一定的難點，那就是無法在正確的時刻匹配合適的驅動信號，電流倒灌問題比較突出[3]。隨著用電壓力增加，供電系統中變換器的使用頻率越來越高，為了進一步提高控制效率，解決傳統CLLLC變換器效率低的現實問題，本文重點對雙向DC-DC變換器的原理和重要參數進行了分析，通過研究其運行特性，找到了提高控制效率的方法，全新的變頻控制方法得到了有效應用。

4 結論

綜上所述，通過理論分析可以總結歸納出以下兩點：CLLLC變換器可以實現ZVS和ZCS，穩定性較為理想；全新提出的變頻控制方法操作相對簡單、易于實現。在實際應用中，當輸入電壓突變時，采用以上控制策略，可以有效改變驅動電壓，合理控制維持輸出電壓，使其穩定在標準范圍內，調節作用比較突出。