2018 年 6 月我研究 boost src 找到了一种实现宽范围的 ZVZCS 办法:《两种谐振全桥实现 ZVS 和 ZCS 的控制方式思考》。

 

2019 年 12 月我研究 dab src 用调频和移相来控制,实现了非常漂亮的满载电流波形,但是无奈无功环流忒大最后没有解决被放弃,测试波形下图:

 

 

直到今天 2020 年 12 月我还是在继续研究 dab src,我前不久看到 ETH 的一篇论文后,终于看到实现宽范围 ZVZCS 方法的曙光!如果能把这种控制应用在 obc 上不知道要有多爽,应用在宽范围的双向 dcdc 也应该非常不错,ZVSZCS 实现效果可见图 2 所示。

 

 

各位看完 ZVZCS 的效果图后肯定会问,那么该怎么实现呢?到这里首先要回顾一下谐振实现 ZCS 的关键,那就是一半的谐振周期要小于一半的开关周期。这样就可以在开关周期结束之前,谐振电流能回落到零点,可见下图所示。下图两种波形都可以,无非是电流有效值的大小问题了。

 

 

所以可能存在的几种途径来实现:

1,使用不对称 PWM,只开关 4/fr,另外的部分电流由谐振电流自然下降到零

 

2,固定开关频率锁定 LLC 工作点,依靠 LLC 的工作特性来实现近似 ZCS,在使用副边开关来调节增益

 

3,使用 DAB SRC,调节移相来实现 ZVZCS

 

写到这里我不得不先回顾一下我在去年测试 DAB SRC 时的遇到的环流问题,当原副边两个全桥一起工作时,而且是开关频率稍大于 LC 的谐振频率,从阻抗的角度来讲,此时谐振腔的输入阻抗非常非常低的,就是这里产生的环流主要,可见下图所示:

 

 

虽然从波形来看工作在谐振频率之上,但是由于此时谐振腔阻抗非常低,产生了非常高的无功环流,这一点是我们很不希望看到的。所以 DAB SRC 如果要选择工作频率,一定是要远离谐振频率,越远谐振腔成感性。适当的选择 DAB SRC 的工作频率还能降低关断损耗(在电流波形上产生一些类似于正弦的效果),对效率的提升还是有一定的意义的,其工作波形可见下图所示:

 

(DAB SRC 开关频率高于谐振频率运行波形)

 

我那时候对 DAB SRC 的控制方法是依靠频率和移相两个变量来进行控制,具体思路为:M=Vi/n*Vo,r = Fsw / Fr 开关频率与谐振频率之比,SRC 谐振电感和谐振电容的等效阻抗 Zo,考虑在等于谐振频率时 Po 为 Vin^2/Zo。系统的开关频率为高于谐振频率区域,通过调制相位超前或滞后实现功率流向的双向传递。从功率传递公式可以看到,有两个量是可以固定的,一个是 Vin^2/Zo,在不同的输入电压下,通过采样即可知道当前的输入电压,另外谐振电感和电容在设计之初就已经被固定在工作中不会发生较大的参数变化。M 和 r 是输入输出电压和开关频率对功率的传递系数,在系统工作起来之后,这个变量就会被计算出来,所以对于功率来说,仅存在 sin(φ)不知道,而这个φ就是我们要控制原副边移相角度。

 

如果通过这么一种控制方法:还是通过控制开关频率,但是开关频率仅在比较小的范围内变化,比如从 r 到 0.5-0.9 范围内,如果谐振频率 50KHz,那么开关频率范围就是从 56 – 100KHz 范围内变化,但是在这个范围内能否满足功率输出的要求,还需要计算得到移相角度。通过 FHA 的功率传递公式,我可以根据输出功率,开关频率,输入输出电压比例和目标功率(Vin^2/Zo)来计算得到 sin(φ)的值,得到这值是正弦函数的值,要使用 ascsin 函数来根据上式中得到的值计算φ,然后还要根据 asinf 函数来得到幅度,在使用 pi/180 来计算得到实际的移相角度。得到角度之后,在根据周期时间长度,如 90°长度是 0.25 开关周期,来计算得到所需要移相的时间长度。

 

虽然当时没有解决依靠调频和原~副边移相控制的 DAB SRC 的环流和效率的问题,但是这个问题还是给我留下了很深刻的印象,直到最近看到一篇 ETH 应用在中高压领域的 DAB IDCM 控制的时序图,引起我的想象,这个不正是我一直在思考要实现的东西吗,下图来至参考文献 1:

 

 

控制时序:

 

 

可见论文中把原边半桥用对称 PWM 控制,副边超前桥 50%占空比同步与原边开关时序,利用副边滞后桥的移相角度解决环流问题。当原边谐振电流到零后,副边的全桥也同步把电压拉到零(通过移相来实现),在这个时间内原边 PWM 关闭,副边全桥电压为零,谐振腔无电压,所以环流可以降低。根据论文中的思路,我可以很容易把这个控制策略放到 DAB SRC 上。而且可以有两个变量来进行调节,第一个是开关频率,SRC 必然还是会受到开关频率的调节,第二个就是原边的占空比。可见实现:

 

(DAB SRC VIN400 // VO 400 POUT 7.5KW)

 

从上图最大负载处可以看到 ZVZCS 已经成功实现,而且控制简单易于实现。PWM 调制部分:

 

 

实现:

 

 

功率系统(VIN400/VO400/PO7500):

 

 

轻负载运行,VIN400/VO300V/2KW:

 

 

在轻负载情况下可以调频也可以移相,还可以调占空比,在这个控制上有了 3 个维度的控制手段,所以不会存在增益调不下来等问题。

 

小结:根据参考文献中的控制策略,实现了 DAB SRC 的宽范围 ZVZCS 控制。对于优化 DAB SRC 的效率有一定的参考意义,但是系统增益大于 1 的方法目前还不明确,所以我有了新的发现会再来聊一聊这些。本期废话比较多(整理了一些以前的思考内容),如果有错误请见谅,感谢观看,谢谢。

 

参考文档:

1, New Series-Resonant Solid-State DC Transformer Providing Three Self-Stabilized Isolated Medium-Voltage Input Ports F. Krismer∗, J. Bohler ¨ ∗, J. W. Kolar∗, and G. Pammer†

 

∗Power Electronic Systems Laboratory, ETH Zurich, Switzerlandkrismer@lem.ee.ethz.ch
†EGSTON Power Electronics GmbH, Austria Proceedings of the 10th ICPE International Conference on Power Electronics (ICPE 2019-ECCE Asia), Bexco, Busan, Korea, May 27-30, 2019