基于双桥串联谐振变换器的IPOS系统设计

时间:2022-07-31 08:36:24

基于双桥串联谐振变换器的IPOS系统设计

受电力电子器件发展水平的制约,在许多高电压场合,如何选择合适的高耐压功率器件是目前研究人员所面临的挑战之一。我们可以用多个功率器件串联来满足高耐压要求,但这种方法存在串联器件的均压问题,一般都需要额外的辅助电路实现器件均压,增加了电路损耗及成本。通过选择合适的电路拓扑结构也可降低功率器件的电压应力,如多电平直流变换器等。此外,将多个变换器模块串联组合也是一种有效地降低功率器件电压应力的方法。

多模块输入并联输出串联(Input Parallel Output Series,IPOS)变换器系统可以很好地适应需要将较低的输入电压变换为较高的电压输出的场合,有效解决了输入侧开关器件的电流应力大、输出侧器件电压应力的问题。

IPOS由多个变换器模块在输入侧并联、输出侧串联组合而成,其优点是:①每个模块输入电流为Iin/n,可大幅降低开关器件的电流应力,其中,Iin为总的输入电流,n为模块数;②每个模块提供PO/n,单个模块设计和系统热设计更简单,PO为总的输出功率;③若采用交错控制技术,电流纹波抵消效应使得输入电容的容量减小,在相同的输出电压纹波下,输出电容的体积也可减小,由此可以提高变换器的功率密度。

为了保证IPOS变换器系统正常工作,必须使各模块的输出电压均衡,即输出均压。

输出均压控制分析

图1给出了IPOS变换器系统的框图,其中,Cfl~Cfn为输出电容。

IPOS变换器系统中,各模块的输入和输出不能共地,必须选择隔离式变换器。常用的隔离式变换器有正激、反激、半桥、全桥等拓扑,其中移相控制全桥变换器具有电路结构简洁的特点,可充分利用电路中的寄生参数实现开关管的软开关,且为恒频控制等优点得到了广泛应用。这里选择双桥移相控制变换器作为IPOS变换器系统的基本模块,如图2所示。

对于图2所示的由两个模块组成的IPOS变换器系统而言,只要保证其中一个模块输出电容电压为VO/2,就实现了输出电容上的电压均压。选择变换器系统CO1的输出电压作为受控对象,保证其电压为VO/2。图3给出了输出均压控制框图,输出电压调节器的输出信号VO-EA与输出均压调节器的输出信号VOf-EA相加后与锯齿波VRAMP1交截,产生1#模块的移相控制信号。VO-EA与VOf-EA相减后与锯齿波VRAMP2交截,产生2#模块的移相控制信号。两锯齿波通过外同步电路相差180°,以实现两模块的交错控制。

假设系统已经进入稳态,1#模块输出电压受到扰动上升,即VO1>VO/2,输出均压调节器的输出信号Vof-EA下降,VO-EA+VOf-EA减小,使1#模块的移相角减小,VO1减小,形成一个负反馈。同时,VO-EA-VOf-EA增大,使2#模块的移相角增大,VO2增加。从而使VO1稳定在VO/2,实现输出均压控制。类似的,当VO1

参数设计

设计要求:双桥串联谐振DC/DC变换器,输出接电阻性负载;输入V1=30V,输出VO=300V和额定功率PO=3000W,从而实现输入低电压大电流,输出高电压小电流,大功率输出;选定开关频率fs=50kHz。

根据电阻性负载能量优化方案,设计过程如下:

1.因为电路输入均流输出均压,VO1=VO/2=150V, PO1=PO/2=1500W。

仿真验证

为了验证前面理论分析的正确性,将所有设计参数代入PSIM中,进行仿真验证。

闭环控制电路如图4所示,双桥移相串联谐振DC/DC模块1和模块2采用交错控制技术,输出电压V。,和V。:的电压纹波可以相互抵消,有效减小输出电压VO的纹波系数。

闭环控制输出电压波形如图5所示。

可见,在闭环中,输出电压VO=300V,电压纹波系数σ

为了检测当双桥串联谐振变换器主电路参数不一致时,输出均压控制闭环能否实现输入均流输出均压,人为将谐振电感和谐振电容设定不一致,其仿真结果分别如图6和图7所示。

图6给出当谐振电感不一致(Lr1=2.39μH、Lr2=2.59μH)时的仿真波形,从中可看出,此时各模块输入均流、输出均压。

图7给出当谐振电容不一致(Cr1=6.63μF、Cr2=6.33μF)时的仿真波形,从中可看出,此时各模块输入均流、输出均压。

为了检验所设计的双桥串联谐振变换器的IPOS系统抗负载突变能力,对其输出负载进行突减和突加操作。

图8给出了采用输出均压控制时,在额定输入电压30V的条件下,输出电流从满载突变到1/3负载后又突变到满载时的仿真波形。变换器进入稳态工作后,在t1时刻,输出电流从满载突变到1/3负载,经过一段时间后,系统进入稳态。在t2时刻,输出电流从1/3负载突变到满载,经过一段时间后,系统进入稳态。从中可以看出,对于负载扰动,采用输出均压控制,变换器可以实现输出均压。

结论

本文首先分析了IPOS系统输出均压的控制原理,之后介绍了一款3000W的双桥移相控制IPOS变换器系统。该系统利用交错控制下的电流纹波抵消效应减小输入电容,电压纹波抵消效应减小输出电容。该系统通过闭环反馈控制,很好地实现了两个模块之间的输出均压功能,即便电路硬件参数有差异,也可以通过反馈闭环控制进行校正,进而实现模块输出并联均压。

仿真验证了上述文中方法的正确性和可行性,为后续的实验验证工作奠定良好基础。

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