CN109831114B

CN109831114B - 一种llc类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法

Info

Publication number: CN109831114B
Application number: CN201910099520.5A
Authority: CN
Inventors: 张欣
Original assignee: 张欣
Current assignee: Xinfeng Zhilian (Hangzhou) Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2039-01-31
Also published as: CN109831114A

Abstract

本发明公开了一种LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法，LLC类双向有源桥逆变器的谐振电路由变压器原边的谐振电感L_r,谐振电容C_r和励磁电感L_m组成。双向有源桥逆变器由于环境因素导致的谐振参数偏移会引发电压传输增益的变化，且在级联系统中其输出阻抗和负载变换器输入阻抗相互干扰会引发级联不稳定问题。本发明提供的LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法，通过稳定性设计过程辅助电压传输增益设计过程，能够实现双向有源桥逆变器具有稳定的电压传输增益，并且在和负载变换器级联时可以保证稳定性。

Description

一种LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法

技术领域

本发明涉及LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法，属于电力电子电路设计领域。

背景技术

目前在微电网中，双向有源桥逆变器的应用愈加广泛，它可以实现电能的双向传输，并且它与其他的电能变换器相比具有明显的优势：比如它具有高电能密度，方便实现软开关特性，并且其中的变压器可以实现电隔离，因此双向有源桥逆变器的性能提升是微电网发展的重要问题之一。而在实际应用中，双向有源桥逆变器常与负载变换器级联来实现更加复杂的电能变换要求。

LLC谐振双向有源桥逆变器由于其突出的高性能低成本而被广泛应用，但在实际应用中，环境的温度变化或是厂家的生产误差等都会导致谐振参数偏移标准值，从而导致电压传输增益无法达到预期要求，而稳定的电压传输增益是评价双向有源桥逆变器性能的重要指标之一。在与负载变换器级联时，由于阻抗相互影响会引发级联不稳定问题，此时双向有源桥逆变器直流输出电压会发生大范围波动，严重影响电能质量。

在电力电子技术中，针对级联系统的稳定性问题通常采用Middlebrook阻抗比判据来分析，其要求源电能变换器输出阻抗小于负载电能变换器的输入阻抗。但只利用该定理进行参数设计又无法满足稳定电压传输增益的要求。为了兼顾双向有源桥逆变器的稳定电压传输增益和其在级联系统中的稳定性两方面性能要求，有必要设计一种LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法，实现双向有源桥逆变器的稳定电压传输增益和其在级联系统中的稳定性两方面性能要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法，具体步骤包括：

步骤1：根据设计前提，包括变压器变比n，双向有源桥逆变器输入V_in、输出电压V_out、输出功率P、输入和输出电压允许变化范围α和β，以及电感L_m和L_r预期最大变化率τ和电容C_r预期最大变化率η，计算对应的谐振电路品质因数标准制Q_1R，给出励磁电感与谐振电感的比值k的选取范围；

步骤2：根据不同励磁电感与谐振电感的比值k，计算对应的谐振参数标准值L_rR,C_rR,L_mR；

步骤3：计算不同励磁电感与谐振电感的比值k的情况下的双向有源桥逆变器输出阻抗Z_out，在谐振参数预期变化范围内选取最大的输出阻抗峰值Z_{out_max}；判断Z_{out_max}数值是否小于负载变换器输入阻抗幅值Z_in，若是，则对应的k值可以满足级联稳定性条件，稳定性设计过程结束；若否，则选取不同的k值直到Z_{out_max}小于Z_in；

步骤4：根据稳定性设计过程所选择取的k，验证是否可以实现双向有源桥逆变器恒定电压传输增益；若是，则设计过程完成，谐振参数确定为该k值对应的谐振参数标准值；若否，重新选取k重复上述步骤直到验证成功。

步骤1中，谐振参数预期变化范围，输出、输入电压和电压传输增益允许变化范围为：

L_m∈[(1-τ％),((1+τ％))]L_mR

L_r∈[(1-τ％),((1+τ％))]L_rR

C_r∈[(1-η％),((1+η％))]C_rR

V_in∈[(1-β％),(1+β％)]V_inR

V_out∈[(1-α％),(1+α％)]V_outR

M_min＝(1-α％)V_out/[n·(1+β％)]V_in

M_max＝(1+α％)V_out/[n·(1-β％)]V_in

其中，τ是电感L_m和L_r预期最大变化率，η是电容C_r预期最大变化率，α、β分别为双向有源桥逆变器输出、输入电压允许变化率，V_in、V_out分别代表输入、输出电压，M是电压传输增益；谐振电路品质因数Q₁，开关频率和谐振角频率之比ω_*计算表达式为

由上述公式，电压传输增益表达式推导如下：

根据电压传输增益范围要求M_min<M<M_max，得到励磁电感与谐振电感的比值k的允许范围；其中谐振电路品质因数Q_1R可以表达为

步骤2中，谐振参数标准值L_rR,C_rR,L_mR由如下公式计算:

步骤3中，对应一个k值双向有源桥逆变器输出阻抗Z_out由如下表达式计算：

其中w_max是Z_out达到最大幅值时对应的角频率，其表达式为

基于不同的k值，有不同的谐振参数标准值；谐振参数在预期变化范围内会有产生最大的输出阻抗峰值，为Z_{out_max}，Z_{out_max}与负载变换器输入阻抗Z_in比较，直到找到合适的k使Z_{out_max}小于Z_in。

步骤4中，根据稳定性设计过程中确定的k值，对双向有源桥逆变器恒定电压传输增益变化进行验证，考察在谐振参数预期变化范围内，电压传输增益是否在允许变化范围内。

本发明为设计LLC类双向有源桥逆变器谐振参数，提出了一种设计方法，实现在预期谐振参数偏移范围内稳定的电压传输增益以及在与负载变换器级联时避免直流输出电压不稳定现象；本发明为LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计提供了一种新的方法，与现有技术相比，该方法优点为：

1、实现在预期谐振参数偏移范围内双向有源桥逆变器保持稳定的电压传输增益。

2、实现双向有源桥逆变器在与负载变换器级联时保持级联系统稳定，实现双向有源桥逆变器稳定的直流输出电压。

3、LLC类双向有源桥逆变器输出阻抗峰值公式用于辅助判定级联系统稳定性。

4、为LLC类双向有源桥逆变器谐振参数提供简单可循的设计步骤，简化设计过程。

附图说明

图1为本发明一种LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中k＝25时双向有源桥逆变器级联系统输出阻抗和输入阻抗的波特图；

图3为本发明实施例中k＝60时双向有源桥逆变器级联系统输出阻抗和输入阻抗的波特图；

图4为本发明实施例中k＝120时双向有源桥逆变器级联系统输出阻抗和输入阻抗的波特图；

图5为本发明实施例中k＝25时得电压传输增益波动三维图；

图6为本发明实施例设计的LLC类双向有源桥逆变器输出电压的仿真结果；

图7为本发明一种LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明为设计LLC类双向有源桥逆变器谐振参数，提出了一种设计方法，实现在预期谐振参数偏移范围内稳定的电压传输增益以及在与负载变换器级联时避免直流输出电压不稳定现象；具体包括如下步骤：

步骤1：根据本实施例设计前提，由表1给出，包括变压器变比n，双向有源桥逆变器输入V_in、输出电压V_out、输出功率P、输入和输出电压允许变化范围α和β，以及电感L_m和L_r预期最大变化率τ和电容C_r预期最大变化率η；

表1设计条件

n

Vin

Vout

Vo

Rl

Resr

C1

L1

C2

α

β

τ

η

1

100V

60V

9Ω

0.15Ω

1mF

1.5mH

0.2mF

0.15

0.45

谐振参数预期变化范围，输出、输入电压和电压传输增益允许变化范围为：

L_m∈[(1-τ％),((1+τ％))]L_mR

L_r∈[(1-τ％),((1+τ％))]L_rR

C_r∈[(1-η％),((1+η％))]C_rR

V_in∈[(1-β％),(1+β％)]V_inR

V_out∈[(1-α％),(1+α％)]V_outR

M_min＝(1-α％)V_out/[n·(1+β％)]V_in

M_max＝(1+α％)V_out/[n·(1-β％)]V_in

由上述公式，电压传输增益表达式推导如下：

其中谐振电路品质因数Q_1R表达为

根据电压传输增益范围要求M_min<M<M_max，计算得本实施例中励磁电感与谐振电感的比值k的选取范围为k≥25；

谐振参数标准值L_rR,C_rR,L_mR由如下公式计算:

对应一个k值双向有源桥逆变器输出阻抗Z_out由如下表达式计算：

其中w_max是Z_out达到最大幅值时对应的角频率，其表达式为

基于不同的k值，有不同的谐振参数标准值；谐振参数在预期变化范围内会有产生最大的输出阻抗峰值，为Z_{out_max}，Z_{out_max}与负载变换器输入阻抗Z_in比较，直到找到合适的k使Z_{out_max}小于Z_in；图1至图3给出了k＝25，k＝60以及k＝120时双向有源桥逆变器级联系统输出阻抗和输入阻抗的波特图；只有k＝25时满足Z_{out_max}<Z_in，因此本实施例最终选取k＝25；

步骤4：根据稳定性设计过程所选择取的k，验证是否可以实现双向有源桥逆变器恒定电压传输增益；若是，则设计过程完成，谐振参数确定为该k值对应的谐振参数标准值；若否，重新选取k重复上述步骤直到验证成功；图4给出了k＝25时得电压传输增益波动三维图，在预设范围内；图5给出了基于本实施例设计的LLC类双向有源桥逆变器谐振参数的仿真结果，可以看出此时LLC类双向有源桥逆变器与负载变换器级联后双向有源桥逆变器直流输出电压稳定在100V，没有产生级联不稳定现象，设计成功。

上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其仍处于本发明权利要求范围之中。

Claims

1.一种LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：根据设计前提，包括变压器变比n，双向有源桥逆变器输入V_in、输出电压V_out、输出功率P、输入和输出电压允许变化范围α和β，以及励磁电感L_m和谐振电感L_r预期最大变化率τ和谐振电容C_r预期最大变化率η，计算对应的谐振电路品质因数的标准值Q_1R以及电压传输增益表达式，将Q_1R代入电压传输增益表达式中，再根据要求的电压传输增益范围，计算出励磁电感与谐振电感的比值k的选取范围；

步骤2：根据不同励磁电感与谐振电感的比值k，计算对应的谐振参数标准值L_rR，C_rR，L_mR；

步骤3：计算不同励磁电感与谐振电感的比值k的情况下的双向有源桥逆变器输出阻抗Z_out，在谐振参数预期变化范围内选取最大的输出阻抗峰值Z_{out_max}；判断Z_{out_max}数值是否小于负载变换器输入阻抗幅值Z_in，若是，则对应的k值满足级联稳定性条件，稳定性设计过程结束；若否，则选取不同的k值直到Z_{out_max}小于Z_in；

2.根据权利要求1所述的一种LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法，其特征在于：所述步骤1中，谐振参数预期变化范围，输出、输入电压和电压传输增益允许变化范围为：

L_m∈[(1-τ％)，((1+τ％))]L_mR

L_r∈[(1-τ％)，((1+τ％))]L_rR

C_r∈[(1-η％)，((1+η％))]C_rR

V_in∈[(1-β％)，(1+β％)]V_inR

V_out∈[(1-α％)，(1+α％)]V_outR

M_min＝(1-a％)V_out/[n·(1+β％)]V_in

M_max＝(1+α％)V_out/[n·(1-β％)]V_in

其中，L_rR，C_rR，L_mR被定义为参数L_r，C_r，L_m对应的标准值；τ是电感L_m和L_r预期最大变化率，η是电容C_r预期最大变化率，α、β分别为双向有源桥逆变器输出、输入电压允许变化率，V_in、V_out分别代表输入、输出电压，M是电压传输增益；谐振电路品质因数Q₁，开关频率和谐振角频率之比ω*计算表达式如下，ω_s为开关角频率，R_eq为等效电阻；

由上述公式，电压传输增益表达式推导如下：

其中Q_1R被定义为谐振电路品质因数的标准值，它被表达为：

根据电压传输增益范围要求M_min<M<M_max，得到励磁电感与谐振电感的比值k的允许范围，也就是得到k的选取范围。

3.根据权利要求1所述的一种LLC类双向有源桥逆变器谐振参数设计方法，其特征在于：所述步骤4中，根据稳定性设计过程中确定的k值，对双向有源桥逆变器恒定电压传输增益变化进行验证，考察在谐振参数预期变化范围内，电压传输增益是否在允许变化范围内。