并联全桥LLC谐振变换器直流母线电压控制方法

李国栋，闫海云，陈培育，王旭东，贝太周

（1.国网天津市电力公司，天津 300010；2.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072）

并联全桥LLC谐振变换器直流母线电压控制方法

李国栋1，闫海云2，陈培育1，王旭东1，贝太周2

（1.国网天津市电力公司，天津 300010；2.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072）

为了解决并联全桥LLC谐振型DC-DC变换器直流母线电压控制问题，提出了一种基于半桥/全桥结构切换的控制策略。在轻载的工况下通过改变开关管驱动信号，将全桥LLC转化为半桥LLC，解决了在光伏储能微电网中直流母线电压无法精确控制的问题。同时利用电压死区控制器和电流死区控制器，达到直流母线电压控制和两路并联均流的效果。为了验证方法的正确性和有效性，利用7 kW样机进行了实验验证。结果显示，该方法有效降低了电压纹波，缩短了负荷投切时的电压调节时间，并实现了两路并联均流。

LLC谐振变换器；全桥和半桥；轻载工况；直流母线电压控制；均流

随着光伏产业的蓬勃发展，光伏发电在新能源中占据主导地位，但是由于光伏板与地之间存在寄生电容，就会产生漏电流，它不仅对人身安全造成威胁，也对设备造成损害，因此光伏系统中采用电气隔离成为研究重点[1]。传统光伏系统采用工频变压器进行隔离，体积大、笨重、成本高、效率低，LLC谐振变换器相对传统工频变压器，减轻了重量、缩小了体积、降低了成本，又提高了电能质量和安全性[2-3]，LLC谐振变换器与其他3种隔离型DC-DC变换器在文献[4]中进行详细的讨论。

谐振技术作为实现软开关的一种优化方法得到了人们普遍的关注，在变换器中，它以谐振网络作为基本变换单元，通过其发生谐振时电路中的电压或电流可以周期性地降为零，从而使开关管可以零电压或零电流导通关断[5]，降低了开关损耗，可在全负载范围内实现功率器件的软开关。

同时LLC谐振变换器也存在问题，如在轻载条件下电压增益超出规定范围，解决这个问题的传统方法是提高开关管的工作频率，而频率的大幅度增加必然会导致ZVS丢失的问题，也会引起输出电压的纹波增大，效率降低，增加电磁干扰[6]。

为了更好地实现母线电压控制，本文提出在重载工况下利用全桥LLC变换器对母线电压进行控制，在轻载工况下利用半桥LLC变换器对母线电压进行控制，当轻载与重载相互转换的同时也实现半桥与全桥的相互转换，并且不需要使用高频驱动，还可以减少电压纹波。本文首先分析了由全桥转换到半桥的原理，并分析了LLC变换器的增益曲线，最后通过实验对所提出的方法进行验证。

1 轻载直流母线电压控制问题

在图1所示的光伏储能微电网中，LLC后级630 V直流母线电压由逆变器控制，而前级400 V直流母线电压由LLC控制。当LLC处于轻载状态时，受限于电压增益过高，当后级电压为630 V时，前级400 V直流母线电压会略低于400 V。且由于受制于较窄的闭环带宽，LLC的动态响应比较慢[7]。

图1 户用光伏储能微电网Fig.1 Residential microgrid with PV/energy storage

对LLC谐振变换器的精确分析会产生一个很复杂的模型，Steigerwald提出了一种简单的方法——基波近似FHA（first harmonic approximation）[8-9]，用来分析输出电压和输入电压的比值（电压增益），适用于谐振型变换器。图2为全桥LLC谐振变换器拓扑结构，谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器励磁电感Lm共同组成了谐振网络，变压器的变比为n∶1，Q1、Q2、Q3、Q4均为变压器原边的MOSFET，D1、D2、D3、D4均为变压器副边的二极管。图 3为全桥LLC谐振变换器等效FHA电路模型，CPC表示整流二极管的寄生电容[9]，由此可得电压增益为GFHA。在FHA等效电路中，电压增益GFHA可以定义为

图2 全桥LLC谐振变换器拓扑结构Fig.2 Topological structure of full-bridge LLC resonant converter

图3 FHA电路模型Fig.3 FHA circuit model

式中：f为LLC的工作频率；Uo为输出电压；Uin为输入电压；Ro为负载。

图4中，“全桥LLC增益理论曲线”即是对应轻载工况下的式（1）的GFHA，“额定增益”为保持系统稳定下的两条直流母线的电压比630 V/400 V。“全桥LLC增益理论曲线”出现先下降后上升的现象，导致以上两条曲线没有交点，说明全桥LLC在轻载工况下无法获得额定增益，在LLC后级母线电压由逆变器控制在630 V的情况下，LLC前级母线电压会始终略高于400 V。

图4 轻载工况下的半桥LLC和全桥LLC的增益曲线Fig.4 Gain curves of a half-bridge LLC and a full-bridge LLC under light load condition

2 全桥/半桥切换控制原理

在传统频率控制的基础上，对LLC的变压器原边侧的开关管Q3和Q4的控制信号加以调整。当LLC处于重载状态时，全部开关管采用传统的频率控制；而当LLC处于轻载状态时，如图5所示，左侧桥臂的开关管的控制方式不变，将开关管Q3控制信号置“0”，关断Q3，将Q4控制信号置“1”，开通Q4，就可以实现全桥向半桥的转换。全部的驱动信号如图6所示。假设谐振网络和负载均为常量，由于半桥谐振网络输入侧等效的基波电压是全桥的一半，所以电压增益为

由式（2）可知半桥的直流增益变为全桥直流增益的一半，故可在增益曲线随频率单调下降的区间内找到合适工作频率达到合理增益，最终有效控制母线电压。如图4所示，轻载工况下，半桥LLC电路的理论曲线和实验曲线均和额定增益有交点，故采用半桥LLC电路拓扑，在半桥LLC增益曲线单调下降的区间内可有效追踪电压增益，稳定直流母线电压。

图5 半桥LLCFig.5 Half-bridge LLC

图6 驱动信号示意Fig.6 Schematic of drive signals

如图7所示，采用一个滞环控制器，生成半桥/全桥的切换信号SIGNAL_FH，避免因家庭负荷Pinv频繁扰动而出现的全桥/半桥两种工作模式频繁切换的问题。

图7 半桥/全桥切换信号Fig.7 Switching signals between a half-bridge and a full-bridge

图8为LLC控制流程，保证了LLC在全负载范围内均可对直流母线电压进行精确控制。

图8 LLC直流母线电压控制流程Fig.8 Flow chart of LLC DC bus voltage control

若SIGNAL_FH为0，则进入子程序1，即轻载工况下的半桥模式调节程序。给出空载工况的初始频率fh_on信号，产生频率为fh_on、占空比为1/2的开关管驱动信号。此后开始利用以上提出的电压死区频率控制方案对空载工况下的半桥LLC变换器进行控制。若SIGNAL_FH为1，则进入子程序2，由控制器给出重载工况的初始频率ff_on信号，产生频率为ff_on，占空比为1/2的开关管驱动信号。此后开始利用以上提出的电压死区控制器对重载工况下的半桥LLC变换器进行控制。若在工作过程中，检测到SIGNAL_FH信号由“0”转换到“1”，则由子程序1跳转到子程序2运行。即当检测到SIGNAL_FH信号由“1”转换到“0”，则由子程序2跳转到子程序1运行。即当检测到LLC由重载状态转换到空载状态运行时，LLC电路结构由全桥转换到半桥运行，工作频率在fh_on的初值上，以Δf1的步长变化，直至输入电压被控制在与参考值误差的绝对值在ΔU1的范围内。其中Δf1为

若检测到LLC由空载状态转换到重载状态运行时，LLC电路结构由半桥转换到全桥运行，工作频率切换到ff_on的全桥电路工作初值上，以Δf2的步长变化，直至输入电压被控制在与参考值误差的绝对值在ΔU2的范围内。其中Δf2为

为了保证两路并联LLC的均流控制，添加了电流死区控制器。当第1路LLC的电感电流的有效值ILr1大于第2路的有效值ILr2，且误差超过ΔI时，第1路LLC的工作频率上升Δf3，第2路LLC的工作频率下降Δf3。其中Δf3为

相反，当第2路LLC的电感电流的有效值ILr1大于第2路的有效值ILr2，且误差超过ΔI时，第2路LLC的工作频率上升Δf3，第1路LLC的工作频率下降Δf3。由于LLC的电流随着频率的上升而下降，此举可达到并联均流的目的。

3 实验验证

基于以上提出的轻载半桥、重载全桥的控制方法，本文采用一个滞环控制器，使得LLC在全负载范围内均可对直流母线电压进行控制。为了保证两路并联LLC的均流控制，添加了死区控制器。为了验证上述理论的正确性，基于一个7 kW并联全桥LLC变换器系统，进行实验验证，实验参数如表1所示。

表1 实验参数Tab.1 Experimental parameters

基于以上实验平台和实验参数，轻载和重载相互转换的同时实现半桥和全桥的转换的实验，实验波形如图9所示，图中U400为直流母线电压，U630为直流母线电压，IL1为上级LLC谐振电感电流，IL2为下级LLC谐振电感的电流。

图9（a）为原控制方案下的实验波形，当负荷缓慢由7.2 kW降低至0时，400 V直流母线电压降低到360 V以下，并且出现了长达0.5 s的调节时间。图9（b）为新控制方案下负载从轻载到带载切换的实验波形。LLC工作首先工作在半桥模式下，LLC电感电流有效值缓慢上升。之后LLC由半桥工作模式切换到全桥工作模式，半桥模式时的谐振电感电流是全桥模式时的两倍，所以LLC谐振电感电流有效值出现突降再缓慢上升的现象。直流母线电压保持恒定。图9（c）为新控制方案下负载从重载到轻载切换的实验波形。LLC首先工作在全桥模式下。之后由全桥工作模式切换到半桥工作模式，半桥模式时的谐振电感电流是全桥模式时的两倍，所以LLC的谐振电感电流有效值出现缓慢下降再突升的现象。整个调节过程中，由LLC所控制的400 V直流母线电压和逆变器所控制的630 V直流母线电压出现小幅波动，最大达到±10 V。无论从轻载切换到重载还是从重载切换到轻载，电流没有出现冲击，两路LLC基本达到均流，整个过程控制效果良好。

图9 实验波形Fig.9 Experimental waveforms

4 结 语

本文针对LLC在直流母线电压控制和均流方面存在的一些技术问题，做出了相应的改进。轻载工况下时，在传统的频率控制的基础上，对LLC的变压器原边侧开关管的控制信号加以调整，将全桥LLC转换成半桥LLC，达到在LLC增益曲线上翘现象出现之前控制直流母线电压的效果，并且不需要提高开关管的工作频率就可以稳定输出电压。基于此，通过对LLC的前级变换器的输出功率的检测，采用一个滞环控制器生成半桥全桥切换信号，在全负载范围内控制母线电压。利用电压死区控制器，在暂态过程中控制直流母线电压，利用电流死区控制器实现电流均流。为了验证本方案的可行性，利用已有的7 kW LLC实验平台进行了实验研究，结果表明该方法简单可行，效果良好。

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DC Bus Voltage Control Method for Paralleled Full-bridge LLC Resonant Converter

LI Guodong1，YAN Haiyun2，CHEN Peiyu1，WANG Xudong1，BEI Taizhou2
（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China；2.School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

To solve the DC bus voltage control problem of paralleled full-bridge LLC resonant converter，a control scheme based on the switching between a half-bridge LLC and a full-bridge LLC is proposed.Under light load conditions，the full-bridge LLC is transformed into the half-bridge LLC through changing the drive signals of switches，which regulates the DC bus voltage accurately in a photovoltaic/energy storage system.Meanwhile，through utilizing the voltage dead-band controller and current dead-band controller，the DC bus voltage is regulated and the currents are shared between two LLC resonant converters.To verify the proposed method，tests were carried out using a 7 kW prototype.The results show that the proposed method can reduce the voltage ripple and the regulation time of voltage during load disturbance，and realize current sharing between two paralleled LLC resonant converters.

LLC resonant converter；full-bridge and half-bridge；light load condition；DC bus voltage control；current sharing

TM464

A

1003-8930（2017）10-0060-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.011

2016-01-12；

2017-08-01

国网总部科技资助项目《户用光伏发电系统关键技术研究与示范应用》

李国栋（1978—），男，通信作者，本科，高级工程师，研究方向为新能源发电、电力系统分析技术研究。Email：tjLGD@163.com

闫海云（1989—），女，硕士研究生，研究方向为户用光伏系统关键技术的研究。Email：zhangyanyj@126.com

陈培育（1983—），男，硕士，高级工程师，研究方向为新能源发电、网源协调技术研究。Email：chenpeiyu400@sina.com