交错并联全桥LLC拓扑包含三个实现要素:
(1) LLC谐振电路,实现软开关;
(2) 原边交错控制,减小输出纹波电流;
(3) 共占空比控制的多个子模块之间输入串联/输出并联(ISOP)的连接方式;
实际此电路的均流,是依靠要素(3)实现,与要素(1)和(2)无关。
对于共占空比的ISOP连接方式,有如下三点:
(1) PFC侧提供能量给母线电容,并使DC-DC侧的总母线电压保持恒定;
(2) PFC侧只保证总母线电压的恒定,不对单独的子电路单元的母线电容两端电压进行控制;
(3) 对于串联的子单元模块,其负载所需的能量直接从各自的母线电容上获取;若其中一路子单元所取能量增大,该路对应的母线电容电压就会降低;
对ISOP拓扑进行简化。将谐振电路的开关网络/谐振腔/整流网络整合到一起,用电抗 来表示,并保留能量单向传输的特性,可初步简化至图17的示意图。
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图17 简化的ISOP拓扑示意图
其中,Z1(f)和Z2(f)分别为LLC1和LLC2原边的等效电抗,其值与开关频率相关。根据该图,有:
(1) 总母线电压一定,有:u1+u2=constant;
(2) 输出电压和负载稳定,有:i1+i2=canstant。
设Z1(f)=Z2(f)。此时,若i1>i2,按照欧姆定律,则u1>u2;而从C1取的能量大于C2取的能量,又有u1<u2。在这种动态的拉扯下,会使得u1=u2, i1=i2,模块均流。
在Z1(f) 153922u90w99ixxk8xkvnh Z2(f)时,模块会有一定的不均流。同时由于上述的这种负反馈作用,使得不均流度有所收敛。
Z(f)包含的器件有:半导体器件/磁性器件/谐振电容。由于半导体器件工作在开关状态,在系统分析时,可以理解为理想器件。因此,先不考虑半导体器件的影响。这里主要关注的器件包括上下两路LLC的谐振电感/谐振电容/主变,也就是电路的谐振参数对模块不均流度的影响。另外,考虑母线电容容值偏差对不均流度的影响。
仿真验证
下面仿真验证该拓扑的不均流度情况。从示意图15可知,谐振参数差异越大,模块的不均流度越大。这里对比的情况包括:
(1) 励磁电感参数差异对不均流度的影响。这里考虑差异最大的情况,一路LLC的励磁电感正偏5%,一路LLC的励磁电感负偏5%;
(2) 谐振电感和谐振电容参数差异对不均流度的影响。这两个参数的总电抗为:
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则,L越大,C越大,则电抗Z越大;L越小,C越小,则电抗Z越小。因此,考虑一路LLC的L和C均正偏至最大,另一路的L和C均负偏至最小;
(3) 将(1)和(2)汇总考虑,并考虑轻载和重载的情况;
(4) 考虑母线电容容值差异对不均流度的影响。考虑差异最大的情况,上路LLC的母线电容容值正偏20%,下路LLC的母线电容容值负偏20%;
仿真模型建立如图18。谐振参数差异情况如表3,仿真结果如表4。
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图18 交错并联全桥LLC的仿真电路图

表3 仿真参数的差异情况
功率等级(kW)
谐振电容(容差)
谐振电感(容差)
励磁电感(容差)
主变匝比
母线电压
输出滤波电容
单路母线电容(容差)
25kW
330nF (±5%)
8uH (±6%)
80uH
(±5%)
28:20
840V(输出290V)
790V(输出267.5V)
750V(输出240V)
220uF×12
330uF×4



表4 不均流度的仿真结果
序号
参数偏差情况
输出电压
输出功率
谐振电感电流的不均流度
母线电压差异
LLC1谐振参数
LL2谐振参数
1
不偏
不偏
267.5V
满载
0.013%
0.02V
2
仅励磁电感正偏
仅励磁电感负偏
290V
满载
0.19%
0.14V
267.5V
满载
0.23%
0.18V
240V
满载
0%
0V
3
仅谐振电感和谐振电容正偏
仅谐振电感和谐振电容负偏
290V
满载
0.88%
8.8V
267.5V
满载
0.42%
8.4V
240V
满载
0.64%
10.9V
4
谐振电感正偏,谐振电容负偏
谐振电感负偏,谐振电容正偏
290V
满载
0.34%
3.1V
267.5V
满载
0.21%
2.8V
240V
满载
0.18%
5.8V
5
全部正偏
全部负偏
290V
满载
0.86%
10.2V
半载
0.22%
13.2V
10%负载
0.6%
10.7V
267.5V
满载
1.35%
13V
半载
0.51%
12.7V
10%负载
0.29%
8.8V
240V
10%负载
满载
1.33%
11.8V
半载
0.13%
13.9V
10%负载
0.16%
5.3V
6
仅母线电容容值正偏20%
仅母线电容容值负偏20%
267.5V
满载
0.23%
0.036V




其中,ip1和ip2分别为LL1和LL2的原边电流有效值,ip为谐振参数一致时模块满载输出的LL1或LL2原边电流有效值。

仿真结果表明:

(1) 序号2表明,励磁电感的参数差异,对模块不均流度的影响很小;纯励磁电感的差异造成的不均流度最大为0.23%;
(2) 序号3和4对比表明,谐振电感和谐振电容造成的最大不均流度为0.88%;且是在两路LLC参数差异最大的情况下,不均流度最大;
(3) 从序号5可见,模块最大的不均流情况,发生在满载时;
(4) 在限定的谐振参数范围内,模块最大的不均流度为1.35%左右,对应的工况为267.5V/满载输出。
(5) 从序号6可见,母线电容容值的偏差,对不均流度影响很小;
综上,ISOP拓扑的均流效果好,满足使用要求。