基于LCC谐振变换器的高压直流电源设计
根据式(2)~(5),绘制出不同负载下M与fsN的关系曲线(取α=1),如图4a所示。通过调整电路参数,即可得合适的增益曲线和工作频率范围。图4a为选择不同增益谐振电路工作频率提供了依据。
由图4a可知,从空载到满载变化时,fsN调节范围很大,而谐振元件确定后谐振频率就固定了,因此仅依靠变频控制需要开关频率变化范围很大。在调频基础上,配合调节D,能够在较小频率变化范围内,实现全负载范围内软开关,由式(2)~(6)得到不同负载下M与D的关系,图4b为移相调节时占空比的选择提供了理论依据。根据效率公式绘制出不同负载下逆变器效率曲线,如图4c所示。由图可知,fsN>1时,Q越小,即负载电流越大,效率越高。fsN1时,负载电流越小,效率越高。
3 闭环控制系统
整个闭环控制系统框图如图5所示。控制器、移相器和A/D转换都由主芯片dsP IC30F6010A实现。移相控制可以直接由DSP数字编程得到,因此无需D/A转换。
此处采用PI控制器进行闭环控制,其频域范围内的传递函数为:us/es=kp+ki/s。
采用后向欧拉法进行数字化:
uk=Tski+kp(ek-ek-1)+uk-1 (7)
式中:kp,ki;分别为比例、积分系数。
由于移相控制器是靠数字方法实现的,输入和输出的调节均为瞬时,当控制器输出电压很大时,变换器会有振荡现象,需要在移相控制后加上一阶滤波网络消除振荡。
4 实验过程及结果
为验证结果的正确性,设计一台基于LCC谐振逆变器的高压直流电源基本参数为:输入电压(220+20%)V;输出电压35 kV;输出功率0~7 kW。
根据设计要求,确定高频高压变压器的基本参数:磁芯型号UU80x65x40;匝数比1:146;初、次级匝数分别为32和4672;磁芯个数为2。
变压器折算到初级的漏感为75.4μH,分布电容为44.2 nF。取满载时Qf=3,α=1,得到总串联谐振电感和串联谐振电容的值为187μH,308 nF。考虑分布参数的影响,取Ls=110μH,Cs=300 nF,Cp=260 nF。其中,驱动芯片采用HCPL-316J;IGBT采用SKM150GB128D,额定电压为1 200 V,额定电流200 A。采用差分方式进行采样,通过HCPL-788J对电压电流采样信号隔离。控制芯片采用dsP IC30F6010A,其主要功能是产生PWM驱动波形,根据图5进行移相和调频控制,实现全负载范围内软开关,开关频率变化范围为18~25 kHz,由图4b,考虑死区时间,得到对应的占空比变化范围为0.5~0.85,能够在全负载内保持输出电压恒定。
整个闭环控制计算过程按照式(7)在DSP中直接实现,通过反复实验,取Ts=50μs,kp=4,ki=600时,电源对负载波动的稳定效果最好,负载的纹波最小。
按照上述参数进行实验,图6示出实验波形。
可见,满载时,fs=18 kHz,Dmax=0.85;空载时,fs=25 kHz,Dmin=0.5。在整个负载变化范围内,iLs和uCs都是按照正弦规律变化。空载时,iLs波形出现了断续,这是占空比减小引起的,此时开关管依然可实现零开关。iLs超前于uCs,整个逆变器呈感性。从空载到满载变化时,效率会先增加随后稍减,这是由于满载时开关管工作频率低于谐振频率。空载时效率最低,其值为75%。
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