LLC全桥变结构控制高压直流变换器

卢绍成　邓春明　李步锦　韦唯　危秋珍

摘 要： 当LLC全桥变换器的变压器副边绕组匝数较多时，分布电感和分布电容较大，在变换器的幅频特性中出现附加的谐振峰，使调频控制的控制范围减小，甚至完全失效。提出LLC全桥调频控制和移相控制相结合的变结构控制方法，兼顾扩大控制范围和减小开关应力两方面的性能。根据大功率配网故障定位仪的要求，研制了LLC全桥变结构控制的高压直流变换器样机。用F28335 DSP实现整机控制，完成调频和移相控制的转换，并根据故障状态，分别实现恒流、恒功率和恒压反馈控制。设计的高压直流变换器，最大输出电压为20 kV，最大输出电流为0.5 A，最大输出功率4 kW。样机在实际应用中取得良好效果，验证了分析方法和设计方案的正确性。

关键词： LLC全桥变换器； 高压直流变换器； 变结构控制； 故障定位

中图分类号： TN773?34； TM46 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）04?0145?04

HVDC converter with LLC full bridge variable structure control

LIU Longhua1， HUANG Hongquan2， HUANG Qizhe1， LI Minqiang1， LU Shaocheng1，

DENG Chunming1， LI Bujin1， WEI Wei1， WEI Qiuzhen1

（1. Hechi Power Supply Bureau， Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Hechi 547000， China；

2. College of Electrical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： The large distributed inductance and distributed capacitance caused by the more number of transformer secondary windings makes the unexpected resonant peak appear in amplitude?frequency characteristic of the converter， which can reduce the control range of the frequency modulation control （FMC）， or result in complete failure. A new variable structure control method in combination with LLC full bridge FMC and phase?shifting control （PSC） is proposed， which can expand the control range and reduce the switching stress. According to the requirements of the high?power distribution network fault locator， the prototype of HVDC converter with LLC full bridge variable structure control was developed. The complete machine control is realized by DSP F28335 to accomplish the conversion between FMC and PSC. The constant current， constant power and constant voltage feedback control are implemented according to the fault state. The maximum output voltage of the HVDC converter is 20 kV， maximum output current is 0.5 A， and maximum output power is 4 kW. The prototype achieved perfect effect in practical application. The correctness of the analysis method and design scheme was verified.

Keywords： LLC full bridge converter； HVDC converter； variable structure control； fault location

0 引 言

LLC桥式变换器具有变压器利用率高、功率开关管应力小、电流波形好等特点，在大功率开关变换器中应用广泛。移相控制的LLC变换器控制方式简单，输出调节范围宽，可实现部分功率开关管的软开关[1?6]。基于谐振特性的调频控制LLC变换器能实现全部功率开关管的软开关[7?9]，但其最高工作频率受功率器件的限制，输出调节范围不大。在研制配网故障定位用的高压直流变换器时发现：当变换器的输出电压很高且负载电阻较大时，变压器输出绕组的分布电感和分布电容不能被忽略，LLC桥式变换器中出现附加的高频谐振峰，使调频控制方式完全失去输出控制能力，必须采用其他控制方式。调频控制和移相控制具有性能互补的特点，根据不同的负载条件，进行两种控制方式的切换，即采用变结构控制，可以兼顾扩大控制范围和减小开关管开关应力两方面的要求。

我国的配电网采用小电流接地方式以提高供电可靠性。当发生接地故障时，故障电流小，难于在线计算故障位置。文献[10]提出了一种离线S注入法，在电网停电维修时，确定故障位置。离线S注入法对其中的高压直流变换器的性能要求很高。采用LLC全桥调频和移相控制相结合的变结构控制模式，研制了一套故障定位仪用的高压直流变换器样机。现场使用表明样机具有较高的实用价值。

1 LLC全桥高压直流变换器主电路拓扑及性

能分析

LLC全桥高压变换器的主电路拓扑如图1所示。IGBT管VT1，VT2，VT3和VT4组成全桥开关电路，CR和LR组成串联谐振电路。由于输出电压很高，变压器T副边匝数多，故采用全桥整流输出电路。

另一个是由CR，LR和LM决定的低频串联谐振频率，其对变换器的控制性能影响不大。为了保证变换器工作在感性负载区，变换器工作频率应大于[fR]。在LLC高压变换器中，当负载电阻较大时，Lo和Co组成Q值较大的二阶低通滤波环节，在高频区形成一个附加的谐振峰，如图3所示。对研制的高压变压器进行测试，发现附加的谐振频率在70 kHz左右，与IGBT的最高工作频率接近，对控制性能影响较大。

当负载电阻较小时，幅频特性曲线中仅有一个谐振峰，谐振频率由LR和CR决定，本文设计[fR]=18 kHz。在软开关情况下，取IGBT的工作上限频率为25 kHz。在18～25 kHz之间，幅值随频率变化很大，采用调频控制方式可有效控制输出量，并实现全部IGBT管的零电压软开关。当负载电阻较大时，低频串联谐振峰和变压器副边绕组谐振峰的影响增大，幅频特性曲线上出现另外两个谐振峰。改变频率对输出幅值的控制作用减弱，甚至出现相反的控制作用。

在这种情况下，显然不能用调频控制方式，可采用移相控制方式。调频控制和移相控制的选择主要取决于负载电阻。

对本文设计的高压直流变换器而言，可采用如下的变结构控制策略：

（1） 如果当前采用的是调频控制，在负载电阻大于35 kΩ，或者工作频率已经调整到最高频率而输出量仍高于给定量时，控制方式由调频转为移相；

（2） 如果当前采用的是移相控制，在负载电阻小于25 kΩ，或者移相角已经调整到最大值而输出量仍低于给定量时，控制方式由移相转为调频。

负载电阻较大时，输出电流较小，采用移相控制，虽不能实现全部功率管软开关，开关应力也不大。负载电阻较小时，输出电流较大，采用调频控制，全部功率开关管实现零电压开通，开关应力明显降低。

2 用于大功率配网故障定位仪的高压直流变换

器的设计

基于S注入的离线式配网故障定位仪对所用的高压直流变换器的性能要求很高。以35 kV配网故障定位仪为例，高压直流变换器的输出电压不小于20 kV，最大输出电流不小于500 mA，负载电阻范围从零到无穷大。

由于是在停电状态下户外使用，供电电源为蓄电池或自备发电机，要求采用恒功率控制，在保证供电电源安全的条件下，输出尽可能大的功率，以提高故障定位的精度和成功率。在输出的直流上，还需叠加可供测量的低频交流信号，以便信号探测器能远距离探测追踪故障电流信号，确定故障位置。

根据配网故障定位仪的实际使用情况，LLC全桥高压直流变换器可工作在恒流控制区、恒功率控制区和恒压控制区3个工作区域，如图4所示。

图4中AB段为恒流控制区，在负载电阻很小时，输出电流不超过Imax。BC段为恒功率控制区，在负载电阻较大时，输出功率不超过设定的最大功率；CD段为恒压控制区，在负载电阻很大时，输出电压不超过设定的最大电压Vmax。由于需要叠加可供测量的低频交流成份，3个工作区域都应该是稳定可调的，而不能采用简单的饱和控制方式。

在故障定位过程中，故障点未击穿时，故障线路上只有较小的泄漏电流，等效负载电阻很大，高压LLC变换器工作在恒压控制区，采用移相控制，工作电流很小，功率管的开关应力不大。故障点击穿后，故障线路等效负载电阻下降，电流增大，高压LLC变换器工作在恒流控制区或恒功率控制区，采用调频控制，全部功率开关管零电压开通，降低开关损耗。用于配网故障定位的LLC全桥高压变换器的控制比较复杂，用硬件电路实现比较困难，采用基于软件的控制方式却相对简单。

TMS320F28335是一款具有强大控制功能的数字信号处理器（DSP），运算能力强、速度快、片内带有多通道12位ADC模块和增强型脉宽调制（ePWM）模块，可以通过编程的方式实现全桥变换器的闭环PWM控制、调频控制和移相控制。

基于DSP的全数字LLC全桥高压直流变换器控制原理框图如图5所示。

DSP的输出管脚PWM1A，PWM1B，PWM2A和PWM2B经隔离放大后驱动4个IGBT管（见图1）。高压变换器的输出电流和电压分别由电流和电压传感器送至DSP芯片内部的ADC，转换为12位数字信号，电流和电压相乘可得到功率反馈信号。

给定信号发生器用于产生给定电流、给定电压和给定功率。给定信号为直流分量叠加特定频率的交流分量。随着线路故障状态的变化，LLC全桥高压直流变换器的工作状态在各个工作区内快速切换。

在控制系统中设有电流、电压和功率3个PI控制器，由工作区域选择模块按故障状态选择合适的控制器。

由于变换器的电压、电流和功率增益差别较大，3个PI控制器的参数应分别设定。调制方式选择模块根据变换器工作情况选择调频控制和移相控制方式，软件实现调频控制和移相控制的转换是很容易的。当移相控制的相角固定在180°，改变脉冲周期，就成为调频控制。当调频控制的脉冲频率固定不变，改变两个桥臂驱动脉冲的相位差，就成为移相控制。

DSP的ePWM模块中的时基周期寄存器TBPRD决定脉冲控制周期，改变TBPRD的值即可改变脉冲频率，实现调频控制。ePWM模块中的移相寄存器TBPHS决定脉冲控制的起始时刻，改变TBPHS的值即可改变脉冲相位，实现移相控制。

在图1所示的电路中，用ePWM模块实现调频控制，需要保持TBPHS=0不变，在每个控制周期中动态计算下一个周期值，并改变ePWM模块1和模块2的4个寄存器，即TBPRD1=TBPRD2=周期值，CMPA1=CMPA2=[12]周期值。用ePWM模块实现移相控制，只需保持TBPRD，TBPHS1和CMPA不变，在每个控制周期中动态计算下一个相位值，并改变模块2的TBPHS2。当TBPHS2的值为零时，相位差为零，两个桥臂导通的时间一致，变压器输入的电压为零。

当TBPHS2的值为[12]TBPRD时，两个桥臂导通的相位差为180°，变压器输入的电压最大。将研制的LLC全桥高压直流变换器投入使用，用电流传感器测量变压器输入电流波形，用电压传感器测量IGBT管电压波形，结果见图6。

在调频谐振状态下，变压器的电流波形接近正弦波。在IGBT管由关断转为导通的时刻，流过IGBT的电流为负，反并联的续流二极管处于导通状态，电压为零，实现了零电压导通。IGBT管关断时刻，电流已经由最大值下降到较低水平，关断应力也较小。

3 结 语

LLC全桥变换器采用谐振调频控制方式，可实现全部开关管的软开关，但其控制范围有限，特别是当变压器的副边绕组漏感、分布电容和负载电阻较大时，调频控制方式可能完全失效。在这种情况下，用移相控制方式取代调频控制方式，可以克服调频控制方式的缺点。在用于配网故障定位仪的LLC全桥高压直流变换器中，采用调频控制和移相控制相结合的变结构控制方式，既能满足负载大范围变化时对控制性能的要求，又能显著减小IGBT的开关应力，提高效率和可靠性。

参考文献

[1] 梁永清，黄志强.双闭环控制的移相全桥软开关变换器的研究[J].现代电子技术，2014，37（8）：156?158.

[2] 王秀丽.用PWM芯片实现全桥移相ZVS隔离DC_DC变换器的研究[J].现代电子技术，2012，35（2）：188?190.

[3] 孙瑞波，沈锦飞.LLC谐振高频逆变器新型移相控制研究[J].电力电子技术，2014，48（7）：16?18.

[4] 张晋玮，周东方.基于移相控制的全桥LLC倍压谐振变换器[J].电力电子技术，2013，47（5）：94?96.

[5] 张年福，周跃庆.新型LLC谐振负载感应加热电源移相控制研究[J].电源技术，2012，36（11）：1693?1696.

[6] 李莉，李建兵，徐静波，等.基于自激移相调制的LLC变换器特性分析[J].电子技术应用，2015，41（8）：117?119.

[7] 乔世波，卢乐，路凯飞，等.基于LLC隔离的光伏并网逆变器研究[J].现代电子技术，2013，36（18）：164?167

[8] 唐治德，张正茂，杨红，等.全桥LLC串联谐振X光机高压直流电源[J].重庆大学学报，2012，35（3）：85?90.

[9] 陈申，吕征宇，姚玮. LLC谐振型软开关直流变压器的研究与实现[J].电工技术学报，2012，27（10）：163?168.

[10] 张慧芬，潘贞存，桑在中.基于注入法的小电流接地系统故障定位新方法[J].电力系统自动化，2004，28（3）：64?66.

[11] 袁昌斌，董升亮，李超.滑模变结构在AUV航向控制中的应用[J].现代电子技术，2012，35（20）：117?120.