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LLC變換器基波分析法忽略高次諧波，在寬輸出電壓場合下精度低，對此，本文深入分析變模態(tài)倍壓型LLC諧振變換器工作模式，基于時域分析提出一種多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，實現(xiàn)全范圍內(nèi)軟開關(guān)，為寬范圍LLC變換器參數(shù)設(shè)計提供了新思路。
研究背景
隨著國家“雙碳”目標(biāo)的提出，新能源領(lǐng)域得到快速發(fā)展，交通電氣化發(fā)展將“鋰”推向了高潮。鋰電池使用過程中，端電壓下降，在深度睡眠狀態(tài)下電壓更低，且充電過程中，隨著電池荷電狀態(tài)的改變，其端電壓也會發(fā)生改變。為適應(yīng)待充電鋰電池的電壓范圍，充電器后級DC/DC變換器應(yīng)具備寬范圍電壓輸出能力，同時還應(yīng)確保變換器具有較高的充電效率。
論文所解決的問題及意義
鋰電池使用過程中端電壓浮動較大，為適應(yīng)待充電鋰電池的電壓范圍，充電器后級LLC變換器應(yīng)具備寬范圍電壓輸出能力及高效率。LLC諧振變換器傳統(tǒng)分析方法在寬范圍工作條件下增益偏差較大，因此為保證鋰電池高效率充電，需對LLC變換器拓?fù)溥M行優(yōu)化及精確的時域模型參數(shù)設(shè)計。
論文方法及創(chuàng)新點
1. 變模態(tài)倍壓型LLC諧振變換器拓?fù)?/strong>
圖1 變模態(tài)倍壓型LLC諧振變換器電路拓?fù)?/p>
前級為交錯并聯(lián)的雙諧振腔結(jié)構(gòu)，后級采用倍壓整流結(jié)構(gòu)。同等級輸出電壓時，倍壓整流結(jié)構(gòu)可有效降低變壓器二次側(cè)繞組匝數(shù)，減小變壓器寄生電容高頻時LLC諧振變換器增益的影響，高頻輕載時有效減小電壓“飄升”現(xiàn)象，輸出更低的電壓，拓寬輸出電壓范圍。通過變模態(tài)策略，使變換器可以工作在半橋模態(tài)和雙半橋模態(tài)運行，變換器電壓輸出范圍為兩模式輸出電壓范圍的合集，拓寬了變換器輸出電壓范圍。
2. 基于時域分析的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化
圖2 時域分析參數(shù)設(shè)計優(yōu)化區(qū)域
通過模式邊界、諧振電容最值和ZVS的多目標(biāo)約束條件，得到多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化區(qū)域。從優(yōu)化區(qū)域選取Cr、K參數(shù)，可以保證用較小循環(huán)無功實現(xiàn)最苛刻工況下的增益要求和ZVS運行，保證變換器在全范圍內(nèi)高效率。
圖3 時域分析參數(shù)設(shè)計流程圖
3. 實驗結(jié)果
所設(shè)計變換器在不同工況下均能實現(xiàn)ZVS，驗證了理論分析的正確性。
(a) 輕載電壓電流波形 (b) ZVS驗證波形
圖4 Vi=220V、Io=2A、Vo=20V、fs=115kHz(輕載)
條件下得到的穩(wěn)態(tài)電壓、電流波形
(a) 重載電壓電流波形 (b) ZVS驗證波形
圖5 Vi=220V、Io=6A、Vo=84V、fs=62kHz(重載)
條件下得到的穩(wěn)態(tài)電壓、電流波形
所提出的時域分析下參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法保證電壓增益下，效率較基波分析法得到顯著提升。
圖6 效率對比圖
結(jié)論
針對寬范圍輸出電壓應(yīng)用場合下基波分析法存在誤差大、精度低等問題，提出了一種變模態(tài)倍壓型LLC諧振變換器的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。得出以下主要結(jié)論：
1)為確保開關(guān)管的ZVS和整流管的ZCS，同時滿足電壓增益，對變換器工作模式的運行條件及特點進行分析研究，確立PO模式是LLC諧振變換器最佳工作模式。
2)對LLC諧振變換器PO模式進行時域分析，列寫狀態(tài)變量方程并求解，得到LLC諧振變換器PO模式完全時域解。
3) 通過模式邊界、諧振電容最值和ZVS的多目標(biāo)約束條件，得出基于時域分析的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化區(qū)域，確定一組變換器最優(yōu)參數(shù)，實現(xiàn)變換器增益要求和ZVS運行條件，滿足變換器全范圍內(nèi)高效率。
團隊介紹
西安科技大學(xué)電力電子團隊依托西安市電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與供電安全重點實驗室，長期致力于高功率密度、高效率電源的技術(shù)研究工作，主要從事高頻功率變換器設(shè)計與控制、無線電能傳輸技術(shù)、爆炸性環(huán)境本質(zhì)安全電路等方向的科研工作。承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)青年基金、省教育廳專項計劃項目和校級培育基金項目4項；參與了國家自然科學(xué)基金面上項目、陜西省科技廳自然基金項目、教育廳專項項目、寧夏科技支撐計劃項目以及橫向項目30余項。
趙永秀
副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向為爆炸性環(huán)境本質(zhì)安全電路放電及防爆理論、新能源功率變換與控制、無線電能傳輸技術(shù)。
劉澤偉
碩士研究生，研究方向為寬范圍LLC諧振變換器分析與控制。
本工作成果發(fā)表在2024年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“變模態(tài)倍壓型LLC諧振變換器多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化”。
引用本文
趙永秀, 劉澤偉, 王崇杰, 雷鳴, 晏銘. 變模態(tài)倍壓型LLC諧振變換器多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2024, 39(22): 7139-7153. Zhao Yongxiu, Liu Zewei, Wang Chongjie, Lei Ming, Yan Ming. Multi Objective Parameter Optimization of Variable Mode Voltage Doubling LLC Resonant Converter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(22): 7139-7153.
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