ESS 中双向 CLLLC 谐振转换器的控制方案
出处:维库电子市场网 发布于:2024-11-25 16:30:45
单级隔离转换器,例如双向电容器-电感器-电感器-电感器-电容器 (CLLLC),是储能系统 (ESS) 中常用的转换器类型,可节省系统成本并提高功率密度。 CLLLC 的增益曲线较为平坦,但是,当开关频率 (f s ) 高于串联谐振频率 (fr )时,增益曲线将变得非常平坦。变压器和 MOSFET 的寄生电容也会显着影响转换器增益 [1],从而导致转换器的输出电压失控。在本电源技巧中,我将介绍 CLLLC 控制算法和同步整流器 (SR) 控制方法来消除这种非线性,并使用 3.6 kW 原型转换器来验证性能。图 1是住宅 ESS 的框图。
图 1带有双向功率因数校正 (PFC)/逆变器、双向 DC/DC 转换器和功率点跟踪 (MPPT) 的住宅 ESS 框图。资料来源:德州仪器控制阶段的设计考虑
图 2显示了带有寄生电容器的全桥 CLLLC 谐振转换器的电路拓扑。该拓扑由对称谐振回路和全桥结构组成。
图 2带有寄生电容的全桥 CLLLC 转换器的电路拓扑。资料来源:德州仪器
图 3显示了 CLLLC 的理想增益曲线。与 LLC 转换器类似,变频控制是 CLLLC 谐振转换器的一种流行控制方案。
图 3使用变频控制的理想 CLLLC 增益曲线。资料来源:德州仪器如前所述,当 f s超过 f r时,增益曲线是平坦的。此外,随着功率水平的增加,转换器需要在电池侧并联更多的FET来处理更多的电流,这意味着输出全桥FET上的输出电容(C oss)将非常大。考虑到变压器绕组间电容和C oss的寄生参数,高频时的增益曲线非单调性严重,对应于轻载情况,如图4所示。
图 4考虑变压器绕组间电容和 C oss等寄生参数的 CLLLC 增益曲线。资料来源:德州仪器在这种情况下,频率控制就没用了。打嗝模式是解决 CLLLC 谐振转换器非单调特性的常用方法,但该方法不适合电池应用,因为转换器需要在电池电压较低时提供高电流。脉宽调制(PWM)和相移控制可以解决这个问题,但PWM控制会使晶体管工作在硬开关状态,从而降低效率并限制工作频率。因此,相移控制是更好的选择。
控制逻辑
图5所示为频率与相移混合控制方案图。启动时电池电压较低,因此转换器需要以低充电电流软启动,以限制高电流尖峰并延长电池寿命。如果谐振电感值或频率不够高,高频软启动的效果有限。当电池充电到接近满容量时,会以小电流进行涓流充电,并保持恒定电压。这两种情况都对应于转换器的轻负载条件。根据之前的分析,在轻负载时,输出电压会因寄生电容而趋于上升,终可能会失控;相移控制可以帮助调节该状态下的输出电压。控制器的计算结果决定转换器是否需要进入相移模式。图5不同充电状态下的控制方案。请注意,启动期间电池电压较低,因此转换器需要以低充电电流软启动,以限制高电流尖峰并延长电池寿命。资料来源:德州仪器
图 6显示了频率和相移之间的调制切换。当负载减少时,频率会增加以调节输出电压。如果计算出的频率高于设定值,转换器将进入相移调制;那么当负载增加时,相移角会减小,以调节输出电压。当相移角减小到零时,转换器将再次进入频率模式。图 6频率和相移模式之间的控制方案。当负载减小且相移角为零时,频率将增加以调节输出电压(频率模式)。如果频率高于设定值,则减小相移角以调节输出电压(相移模式)。资料来源:德州仪器
寄生电容引起的问题
MOSFET 的 C oss在相移模式下也有这种效果;储能电流将随着这些电容器而振荡,如图7所示。
图7开环移相模式下槽路电流波形。资料来源:德州仪器图 8绘制了考虑和不考虑 MOSFET C oss的 CLLLC 转换器的增益比较。从图中可以看出,增益曲线会出现波动。在这种情况下,控制器可能会在闭环控制下将相移角调整到错误的方向,从而导致较大的电流尖峰。
图8有和没有C OSS 的相移模式下的增益曲线。资料来源:德州仪器增益问题的解决方案
为了消除增益的非单调性,采用如图 9所示的 SR 控制可以解决此问题。在槽路电流振荡期间同时打开两个上或两个下SR开关将暂时短路变压器的次级侧绕组,使得C oss不会涉及谐振。
图 9提出的 SR 控制方案以消除增益的非单调性。资料来源:德州仪器
图10为测试结果;与图8相比没有出现振荡。图 10使用所提出的控制方案的相移模式下的增益曲线(灰线)。资料来源:德州仪器
实验结果
原型[3]使用这种控制方案来验证性能。图 11显示了软启动波形,图 12显示了采用所提出的控制方案的相移模式下的储能电流波形。
图 11输出功率为 750 W 的相移软启动。资料来源:德州仪器
图 12采用所提出方案的相移模式下的储能电流波形。资料来源:德州仪器图 13和图 14显示了频移/相移调制开关测试。从测试波形来看,输出功率为750W时,启动电流限制在28A以内。槽路电流无振荡,变换器可以在不同的工况下平滑地改变调制方式。
图13相移和频率调制开关:具有 5A 负载的频率模式。资料来源:德州仪器图14相移和频率调制开关:具有 1A 负载的相移模式。资料来源:德州仪器
结论
所提出的频率和相移混合控制方案限制了启动阶段的浪涌电流,并使增益在轻负载条件下呈线性。该变换器可以在调频和相移调制之间平滑切换。此外,相移控制还引入了非单调增益问题,使得在具有大C OSS 的设计中电流振荡。所提出的SR控制方法可以帮助解决电流振荡问题并使增益单调。
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