昨天跟一个行业大佬聊天谈起一种三电平复合全桥 LLC 的控制方法,具有宽范围 ZVS 和增益线性的优点,非常适合应用在大功率充电场合。虽然大佬只是简单的提了几句,但是系统控制的实现方法我就非常感兴趣了。于是我就一直在思考,今天下午终于有了点灵感,就有了下文,如果有错误请见谅,谢谢。

 

如果对更多三电平 DCDC 的文章感兴趣可见:

1. 三电平 ZVS 半桥的控制模型与仿真 基于 PSPICE

2. 三电平半桥 LLC 的控制模型与仿真 基于 PSPICE

3. 三电平 DAB 进一步扩宽双向 DCDC 变换器的电压等级和功率范围

 

对于传统依靠频率调制的 LLC 结构的变换器来说,在谐振频率附近的增益线性度高,系统也有较高的效率。但是当系统增益要在 0.7 以下的范围时,通常需要工作在非常高的开关频率,而且系统效率也非常差。特别是在宽范围充电器的应用场合,通常有 2~3 倍的调压范围,如 250~750,甚至更高。虽然在低压输出的情况没有负载最大功率,但是如何优化低压的效率也是很头疼的问题。

 

所以可以使用三电平与两电平切换的方法来解决这些问题,在系统以两电平工作时,系统增益为 1,或者通过 PFM 让增益大于 1。然后通过调制三电平桥臂的两颗外侧开关管来过渡到三电平,这样系统的输出增益是 0.5,如果需要更低的增益,就可以通过 PFM 来让系统的增益来继续低于 0.5。

 

可见系统框架,高压侧使用两个桥臂,分别是三电平和两电平桥臂。其中三电平桥臂的内侧开关(Q2/Q3)和两电平全桥(Q5/Q6)的开关使用 50%的占空比控制,在两电平时,三电平外侧开关(Q1/Q4)直通,三电平时调整这两个开关的占空比。

 

 

系统控制 PWM 示意图:

 

 

PWM 控制器实现其实就是 ISL6754 的不对称 PWM,关于这种 PWM 实现的介绍文章可见:数字平均电流模式控制的不对称 ZVS 全桥建模。

 

 

输出 PWM:

 

 

系统测试:设置输出 800V 时工作频率为谐振频率,此时系统增益为 1。

 

 

设置输出 400V 时工作频率为谐振频率,此时系统增益为 0.5。

 

 

设置输出 600V 时工作频率为谐振频率,此时系统增益为 0.75。

 

 

如果需要更低的增益可以在三电平上继续调制频率来实现,系统的控制可以分为:大于 1.0 降低开关频率,1~0.5 定频调整 PWM,0.5 以下升高开关频率,三个工作区域,由于都是 LLC 模式,所以 ZVS 都能保证,而且在 1~0.5 的范围内,增益是依靠 PWM 来实现高度线性调整的,这种系统控制方法既有了 LLC 的高效率和软开关优点,也有了 PWM 调制的线性度,可谓一箭双雕,可见下图:

 

 

小结:简单的介绍了一种复合三电平全桥 LLC 的实现方法和优点,并提供了系统控制的实现方法。如果有错误请留言指正,谢谢观看。

 

关于本人:

我是杨帅,有多年电源硬件和软件开发经验,熟悉各种电源仿真软件的使用,包括模拟控制方向的 Pspice 和 Simplis,以及数字控制使用 Matlab 和 Plecs。熟悉 PSFB,CLLC,DAB,PFC 等功率架构的拓扑,控制算法,环路设计。目前是从事车载电源行业,专注在中等功率变换器领域,数年来一直从事电力电子仿真技术研究与应用推广,致力于实现让天下没有难搞的电源仿真而努力。

 

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