ESS中双向CLLLC谐振变换器的控制方案

前言

单级隔离转换器，如双向capacitor-inductor-inductor-inductor-capacitor(CLLLC)，是储能系统(ESSs)中一种流行的转换器类型，以节省系统成本和提高功率密度。CLLLC的增益曲线较平坦，但当开关频率(f s)高于串联谐振频率(f r)时，增益曲线将不希望地平坦。变压器和mosfet的寄生电容也会显著影响变频器的增益[1 ]，从而导致变频器的输出电压失控。在这个功率提示中，我将介绍一种CLLLC控制算法和一种同步整流器(SR)控制方法来消除这种非线性，使用一个3.6kw的原型转换器来验证其性能。图1是一个住宅ESS的方框图。

图1具有双向功率因数校正(PFC)/逆变器、双向直流/直流转换器和最大功率点跟踪(MPPT)的住宅ESS方框图。

在控制阶段的设计注意事项

图2显示了带有寄生电容的全桥CLLLC谐振转换器的电路拓扑结构。该拓扑结构由对称谐振罐和全桥结构组成。

图2：带有寄生电容器的全桥式CLLLC转换器的电路拓扑结构。

图3显示了CLLLC的理想增益曲线。与LLC转换器类似，变频控制是一种流行的CLLLC谐振转换器的控制方案。

图3使用变频控制的理想CLLLC增益曲线。

如前所述，当fs超过fr时，增益曲线为平坦。此外，随着功率水平的增加，转换器需要在电池侧并行更多的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。考虑变压器缠绕电容和C oss的寄生参数，高频非单调增益曲线严重，符合光载条件，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。

在这种情况下，频率控制是无用的。冰杯模式是解决CLLLC谐振转换器非单调特性的一种流行方法，但这种方法不适用于电池应用，因为当电池电压较低时，转换器需要提供高电流。脉宽调制(PWM)和相移控制可以解决这一问题，但PWM控制将使晶体管在硬切换状态下工作，从而降低了效率，限制了工作频率。因此，相移控制是一个更好的选择。

控制逻辑

图5为频率和相移混合控制方案图。启动时电池电压较低，因此变频器需要用低充电电流软启动，以限制大电流峰值，延长电池寿命。如果谐振电感值或频率不够高，从高频软启动是有限的。当电池充电到接近满容量时，它会以小电流滴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。在轻负载下，由于寄生电容，输出电压往往会上升，根据之前的分析，最终可能失去调节;相移控制可以帮助调节这种状态下的输出电压。控制器的计算结果决定了转换器是否需要进入相移模式。

图5：不同电荷状态下的控制方案。注意，启动时电池电压较低，所以转换器需要用低充电电流软启动，以限制大电流峰值，延长电池寿命。

图6显示了频率和相移之间的调制开关。当负载降低时，频率就会增加，以调节输出电压。如果计算出的最大频率高于设定值，变换器就进入了相移调制，然后当负载增加时，相移角就会减小，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在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)。如果最大频率高于设定值，则移相角度减小以调节输出电压(移相模式)。

由寄生电容引起的问题

MOSFET的C oss在相移模式下也有这种效应;罐电流会随这些电容器振荡，如图7所示。

图7开环时移相模式下的储罐电流波形。

图8绘制了一个有和不考虑MOSFET C oss的CLLLC转换器的增益比较。由图可知，增益曲线将会有波动。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，从而产生较大的电流峰值。

图8有和没有C OSS的相移模式下的增益曲线。

增益问题的求解方法

为了消除增益的非单调性，采用如图9所示的SR控制可以解决这个问题。在储罐电流振荡期间，同时打开两个上或两个下SR开关将暂时缩短变压器的二次侧绕组，这样C oss就不会涉及谐振器。

图9提出了SR控制方案来消除增益的非单调性。

图10为测试结果，与图8相比无振荡。

图10该控制方案在相移模式下的增益曲线。

试验结果

一个原型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显示了该控制方案在相移模式下的储罐电流波形。

图11在750 W的输出功率下的相移软启动。

图12该方案在相移模式下的储槽电流波形。

图13和图14为频率/相移调制开关测试。从测试波形来看，启动电流限制在28 A以内，输出功率为750 W。储罐电流没有振荡，转换器可以在不同的工作条件下平滑地改变调制。

图13移相调频开关：5-A负载的频率模式。

图14移相和调频开关：具有1-A负载的移相模式。

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涌入电流，并使增益在轻负荷条件下呈线性变化。该变换器可以在调频和调相之间平稳切换。此外，相移控制还引入了非单调增益问题，使在具有大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，使增益单调。