曾君　孫偉華　劉俊峰

(1.華南理工大學 電力學院， 廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學 自動化科學與工程學院， 廣東 廣州 510640)

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一組基于可控開關電容的高頻諧振功率變換器*

曾君1孫偉華1劉俊峰2?

(1.華南理工大學 電力學院， 廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學 自動化科學與工程學院， 廣東 廣州 510640)

變頻控制是諧振功率變換器常用的調控手段，但是寬范圍變化的工作頻率會降低磁性元器件的性能且增加設計復雜性.文中提出一組基于可控開關電容(SCC)控制的諧振功率變換器，通過改變諧振回路的等效電容可以在恒定工作頻率下完成諧振變換器的輸出調控.對各種不同SCC拓撲進行了分析比較，論證了所提出SCC結構的優(yōu)越性.然后枚舉了SCC結構在二階和三階諧振變換器中的應用，并詳細分析了一種基于半橋移相控制的SCC-LCL-T型諧振變換器的工作特性.最后，通過仿真和實驗驗證了所提出的SCC結構應用于諧振變換器拓撲的有效性和可行性.

諧振變換器;全波型SCC;移相控制;ZVS軟開關;SCC-LCL-T諧振變換器

隨著高頻開關器件的發(fā)展，電力電子裝置逐漸向高頻化、集成化、模塊化發(fā)展.高頻化的功率變換可以有效減小裝置體積，提高功率密度和可靠性，并降低開關噪聲.諧振功率變換器的軟開關特性能夠有效減小開關損耗，使得工作頻率進一步地提高，從而適應開關高頻化的需求，目前受到了廣泛的關注[1- 4].變頻控制是諧振變換器常用的調控方法.在變頻控制的調節(jié)下，LCC諧振變換器的頻率波動高達75%，大范圍變化的工作頻率將影響電磁干擾性能和降低磁性元器件的效率[5].文獻[6]中提出不對稱準諧振式半橋變換器，通過改變占空比來調控輸出幅值，該變換器可工作在恒頻狀態(tài)，但是占空比變化范圍在0～0.5之間，且調控能力有限.文獻[7]中結合占空比控制與變頻控制提出了一種混合調制控制策略，其開關頻率范圍縮小到83～124 kHz.考慮到諧振變換器的體積和重量往往由最低開關頻率來決定，寬范圍的工作頻率波動使得高頻化的優(yōu)勢被削弱，且增加了電路設計的復雜度.

實際上，諧振變換器的輸出由其歸一化角頻率ωn(開關角頻率ω/諧振角頻率ω0)來調控[8- 10].因此，諧振變換器還可以通過調節(jié)其諧振頻率來實現輸出的調整，從而維持開關頻率的恒定，減少對磁性元器件的影響.考慮到諧振頻率由諧振電感和諧振電容決定，文獻[11]中提出通過可控開關電容(SCC)和可控開關電感(SCI)來改變等效電容和等效電感值，進而調控諧振頻率的方法.由于結電容的存在，SCC比SCI更適用于高頻應用場合.文獻[11]中提出了兩種全波型SCC拓撲，但是其控制精度難以掌握.考慮到SCC拓撲的多樣性和實用性，現有的文獻并沒有對其進行系統(tǒng)的歸納和有效的總結，文中基于常見的二階和三階諧振功率變換器，總結了一組集成SCC結構的、定開關頻率控制的、具有高頻輸出能力的諧振變換器拓撲.

文中首先分析和比較了現有SCC結構，歸納了各種SCC結構的等效電容大小，并枚舉了可集成SCC結構的二階和三階諧振變換器拓撲；然后分析了一種新型的基于半橋移相控制的新型SCC-LCL-T諧振變換器拓撲；最后通過仿真和小樣機實驗驗證了SCC結構對諧振變換器的輸出調控能力及對外部擾動的補償能力.

1　SCC拓撲分析和比較

SCC可分為全波型和半波型.全波型SCC拓撲如圖1所示，其中圖1(a)為文獻[12]中提出的應用于LLC諧振變換器的SCC拓撲；圖1(b)為文獻[13]中提出的應用于LCL諧振變換器的SCC拓撲；圖1(c)和1(d)為文中提出的兩種新型SCC結構.

圖1　全波型SCC拓撲

半波型SCC結構如圖2所示，其中圖2(a)為文獻[14]中提出的應用于電子鎮(zhèn)流器驅動的SCC拓撲；圖2(b)為文獻[15]中提出的應用于LLC諧振

變換器的SCC拓撲.歸納而言，全波型SCC結構適用于對稱輸出諧振變換器，而半波型SCC適用于不對稱輸出諧振變換器.常用的SCC控制方式包括PWM控制、移相控制以及移相和PWM混合控制.

圖2　半波型SCC拓撲

對比圖1、2所示的全波、半波SCC拓撲，半波型SCC結構開關管不是雙向可控開關，會導致正負半周期不對稱導通，進而使輸出的正負半波不對稱.而全波型SCC拓撲正負半周期開關管對稱導通，不存在偏置問題，保證了輸出波形的對稱性.全波型SCC的比較如表1所示.

圖1中拓撲圖(b)和(d)采用相對于逆變半橋的移相控制，控制和驅動電路更為簡單；而圖1中拓撲圖(a)和(c)中SCC與逆變半橋的控制相互獨立，因此其控制和驅動電路相對復雜；此外，圖1拓撲圖(a)和(d)中電容數量降為2個，降低了成本和體積.4種拓撲其等效電容曲線如圖3所示，拓撲圖(a)和(b)調控范圍為(0.2C,C),拓撲圖(c)調控范圍為(C,1.4C),拓撲圖(d)調控范圍為(C,1.95C).拓撲圖(a)、(b)和(d)具有較寬的調控范圍；拓撲圖(c)和(d)能以較小的物理電容獲得較大值的等效電容，從而進一步減小體積和節(jié)約成本.綜上所述，文中提出的SCC拓撲圖(d)具有控制簡單、驅動電路簡便、調控范圍寬的優(yōu)點，且所用電容數最少.

表1　全波型SCC拓撲比較

圖3　SCC等效電容變化曲線

2　集成SCC的諧振變換器拓撲舉例

圖4枚舉了集成圖1中SCC拓撲圖(d)的二階和三階諧振功率變換器拓撲.

(a)LC串聯(lián)諧振變換器(b)LC并聯(lián)諧振變換器(c)LLC諧振變換器(d)LCC諧振變換器(e)LCC-T諧振變換器(f)LCL-T諧振變換器

圖4集成SCC的諧振逆變器拓撲

Fig.4Topologies of SCC resonant inverter

圖4(a)、4(b)為二階諧振功率變換器，圖4(c)、4(d)、4(e)、4(f)為三階諧振功率變換器.圖4(a)為集成全波型SCC結構的LC串聯(lián)諧振變換器；圖4(b)為集成全波型SCC結構的LC并聯(lián)諧振變換器；圖4(c)為集成全波型SCC結構的LLC諧振變換器；圖4(d)為集成全波型SCC結構的LCC諧振變換器；圖4(e)為集成全波型SCC結構的LCC-T諧振變換器；圖4(f)為集成全波型SCC結構的LCL-T諧振變換器.下面以圖4(f)為例來分析提出的諧振功率變換器的輸出特性，并驗證SCC結構對輸出特性的調控能力.

3　集成全波型SCC結構的LCL-T半橋諧振變換器

集成全波型SCC結構的LCL-T半橋諧振變換拓撲如圖5所示，包括半橋前端電路和SCC-LCL結構的后端濾波.其中，半橋電路由電容C和開關S1，S2組成；后端濾波電路主要包括諧振電感Lr、Lk，SCC電容C1、C2(C1=C2=C)和SCC雙向開關S3、S4.半橋電路用于對直流電壓進行斬波，而SCC-LCL型濾波結構對半橋輸出的方波信號進行濾波來產生標準的正弦輸出，并保證了半橋開關的軟開關條件.

圖5　集成全波SCC的半橋LCL諧振變換器拓撲

采用移相控制的SCC電路的工作周期如圖6所示.圖中:uS1和uS2為半橋驅動信號，uS3和uS4為SCC開關管S3和S4的驅動信號,SCC驅動信號與半橋驅動信號之間移相角為α；uceq為SCC上的電壓，iceq為流過SCC的總電流；ic1為流過電容C1的電流，uc1為電容C1上電壓；ic2為流過電容C2的電流，uc2為電容C2上電壓.一個工作周期可分為6種不同的模態(tài)，對應t0，t1,…,t66個時間段，各模態(tài)示意圖如圖7所示.

1)模態(tài)1,[t0-t1]：t0時刻，S4關斷，S3導通，此時ic1為負，S3反并聯(lián)二極管導通，ic1=ic；電容C1持續(xù)放電，直到t1時刻電容C1電壓降至電壓最小值Uceqmin.

2)模態(tài)2,[t1-t2]：t1時刻，電流ic1過零由負轉正，MOS管開始有電流通過，電流ic1=ic；電容C1充電，到t2時刻，電容電壓充電至Uc1t2=Uc2t2=Uc2min.

圖6　SCC工作周期分析

圖7　SCC模態(tài)圖

3)模態(tài)3,[t2-t3]：在t2時刻，電容C1電壓等于電容C2電壓，即Uc1=Uc2，電容C1繼續(xù)充電Uc1>Uc2，S4的反并聯(lián)二極管導通，開關管S4兩端電壓被鉗位至零，在此模態(tài)內可以實現開關管S4的ZVS軟開關；t3時刻，開關管S3關斷信號到來，電容C1充電至最大電壓Uc1max.

4)模態(tài)4,[t3-t4]：t3時刻，S4導通，電容C2電流為正，S4反并聯(lián)二極管導通，MOS管S4沒有電流通過，電流ic2=ic；到t4時刻，電流ic2過零點由正轉負，電容C2充電至電壓最大值Uceqmax.

5)模態(tài)5,[t4-t5]：t4時刻，MOS管S4開始有電流通過，電流ic2=ic；電容C2電壓降低，到t5時刻電壓降至Uc2t5=Uc1t5.

6)模態(tài)6,[t5-t6]：t5時刻，Uc2=Uc1，電容C2持續(xù)放電，S3反并聯(lián)二極管導通，S3兩端電壓被鉗位至零，此模態(tài)內S3實現ZVS軟開關；電流ic1=ic2=ic/2，電容C1、C2同時放電；到t6時刻，S4關斷，電容C2放電至最小值Uc2min；S3開通，之后重復[t0-t6]周期.

在模態(tài)3與模態(tài)6，S3與S4的反并聯(lián)二極管導通，開關管電壓被鉗位至零，因此開關S3和S4可以零電壓開通，從而實現ZVS軟開關.

SCC等效電容值與電容一個周期內的電荷量q成正比[16]，可得SCC等效電容為

(1)

忽略諧振變換器中的高次諧波，采用交流分析方法，LCL諧振變換器輸出電流增益H為[9]

(2)

把SCC結構等效電容Ceq公式代入LCL諧振變換器輸出電流增益H的表達式中，可得相對于移相角α的輸出電流增益H的曲線H(α),如圖8所示.

圖8　變換器的電流增益曲線H(α)

從圖8可以看到,移相角α可實現對輸出電流增益單調平滑的控制，輸出電流增益的變化范圍為[0.77,1.56].實際系統(tǒng)中的參數差異和外界擾動使得諧振變換器輸出波動；其次，輸入的變化也使得變換器輸出偏離穩(wěn)定狀態(tài).隨著SCC結構的引入，可以通過移相角α的控制來實現對增益H的調控，元件公差和參數誤差及輸入波動等都可以經過適當移相角α的調節(jié)來得到補償.

4　仿真和實驗驗證

4.1電路參數設計

設計集成SCC結構的半橋LCL-T諧振變換器樣機，其具體參數如下：輸入電壓uin=35 V，負載20 Ω，諧振點的開關頻率fs=30 kHz.通過與仿真結果分析，原型電路中的品質因數Q=1.06.

(3)

式中，f為諧振頻率，Lr為諧振電感值，Cr為諧振電容值，Rload為負載阻抗，Zn為特征阻抗.

為了保證SCC拓撲結構調控的裕量，可使工作范圍內的移相角α在70°～120°之間，再由等效電容Ceq的計算以及電容規(guī)格上的考慮，對SCC結構的電容C進行合適的選型.

(4)

取電感Lk=109μH，使得電感比值略大于1，確保逆變半橋的ZVS軟開關；SCC結構的電容選取為C1=C2=220nF.

4.2仿真分析

通過PSIM進行仿真驗證，不同移相角控制下諧振變換器各部分驅動與輸出波形如圖9、10所示.圖中波形從上到下分別為：驅動信號uS1和uS3、uS2和uS4,半橋逆變輸出電流iLr,SCC結構中的S3開關管電流ic1,SCC結構中的S3開關管兩端電壓umos3,以及輸出電流iout.

由仿真可得：

(1) 不同移相角α可以對諧振變換器輸出電流iout實現[0.8～1.6]A范圍內單調平滑的調節(jié).從而驗證了SCC結構對于諧振功率變換器輸出調控的連續(xù)性和有效性.

圖9　移相角α=45°時的仿真波形

圖10　移相角α=165°時的仿真波形

(2)半橋輸出電壓波形超前于半橋輸出電流波形iLr，從而實現半橋開關的ZVS條件.

(3)從uS3和umos3波形可以看出，在SCC驅動信號到來時，開關管反接二極管導通，開關管電壓鉗位至零，從而實現SCC開關管的ZVS條件.

4.3樣機實驗分析

為了驗證所提出SCC-LCL-T諧振變換器的可行性，設計了一臺小功率樣機.樣機參數與上述仿真參數一致，其中功率開關器件為IRF540.圖11為移相角α=60°時的工作波形；圖12為移相角α=90°時的工作波形；圖13為移相角α=162°時的工作波形.uS1為半橋開關管S1驅動信號，uS3為SCC開關管S3驅動信號，umos3為SCC開關管S3兩端電壓，iout為輸出電流，iLr為半橋輸出電流，uout為輸出電壓.

從圖11、12和13可以看到，實驗波形與仿真分析一致，控制移相角α可以實現對輸出正弦電流幅值的[0.85～1.50]A范圍內可控，也可實現逆變半橋開關和SCC開關的ZVS軟開關.移相角α較小或者較大時，等效電容Ceq偏離諧振工作點處的諧振電容值，諧波增多使得輸出波形略微畸變.

圖11　移相角α=60°時的實驗波形Fig.11　Experimental waveforms when phase-shift angle α=60°

圖12　移相角α=90°時的實驗波形

圖13　移相角α=162°時的實驗波形Fig.13　Experimental waveforms when phase-shift angle α=162°

圖14為負載Rload=20 Ω時，不同移相角α下測得的變換器效率曲線.在移相角α=90°附近效率達到最高接近94%，此時SCC等效電容值在最佳諧振工作點附近，效率比較高.而在遠離α=90°時，偏離諧振工作點，諧波增多，從而使得效率有所下降，最低效率在85%左右.

圖14　實驗效率曲線

當輸入電壓為35 V，諧振變換器輸出電流幅值為1.2A.模擬外界輸入擾動，分別調節(jié)直流輸入電壓為32 V和38 V，通過移相角α的調控來補償外界輸入的擾動.圖15(a)驗證了在輸入電壓為32 V時，通過增大α可使輸出電流幅值保持為1.2A不變；在輸入電壓為38 V時，可通過減小α使得輸出電流幅值維持穩(wěn)定，如圖15(b)所示.這進一步驗證了SCC拓撲可以對外部擾動進行有效補償，維持輸出的穩(wěn)定.

圖15　改變輸入電壓下的穩(wěn)態(tài)輸出

5　結論

文中歸納總結了集成SCC結構諧振變換器的拓撲和調控方法，詳細比較了半波型、全波型SCC拓撲的調控性能、控制方式以及應用成本等，并提出兩種新型的全波型SCC拓撲結構，其具有所需元件數量少、控制簡單、驅動電路設計便利的優(yōu)點，具有實用性和應用優(yōu)勢.進一步，對提出的基于移相控制的新型SCC-LCL-T諧振變換器拓撲進行了詳細分析、PSIM仿真以及小功率樣機試驗驗證，結果證明SCC結構使得諧振變換器輸出電流增益在[0.77,1.56]范圍內連續(xù)可調；可以同時實現半橋開關和SCC開關管的ZVS軟開關，最高效率可以接近94%；對于±10%的外界輸入擾動，通過移相角α的調節(jié)和補償可以維持諧振變換器的輸出恒定.有效驗證了SCC結構用于諧振變換器輸出調控的可行性和有效性.

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Supported by the National Natural Science Foundation of China(61573155)

A Set of High-Frequency Resonant Converters with Switch-Controlled Capacitor

ZENGJun1SUNWei-hua1LIUJun-feng2

(1.School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2. School of Automation Science and Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510640, Guangdong, China)

At present, the most effective control of resonant converters is the frequency modulation, but the wide variation range of working frequencies can reduce the performance of magnetic components and increase the design complexity. In this paper, a set of resonant converters based on controllable switched capacitors (SCC) is proposed, which can effectively control the output of resonant converters at a constant frequency by adjusting the equi-valent capacitance of resonant tanks. The superiority of the proposed SCC structure is demonstrated by analyzing and comparing different SCC topologies. Then, second-order and third-order resonant converters are combined with the proposed SCC structure, and the characteristic of a new SCC-LCL-T resonant converter topology based on the half-bridge phase-shift control is discussed in detail. Finally, the feasibility and effectiveness of the proposed SCC structure are verified by simulation and experiments.

resonant converter; full-wave SCC; phase shift control; ZVS soft switch; SCC-LCL-T resonant converter

2016- 02- 21

國家自然科學基金資助項目(61573155)；華南理工大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費重點資助項目(2015ZZ097)；華南理工大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費面上項目(2015ZM008)

曾君(1979-)，女，副教授，主要從事電力電子、分布式發(fā)電的能量管理和智能控制等的研究.E-mail：junzeng@scut.edu.cn

劉俊峰(1978-)，男，副教授，主要從事電力電子的控制應用、非線性控制、高頻配電系統(tǒng)等的研究.E-mail：aujfliu@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)08- 0018- 08

TM 13

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.08.004