学术简报｜基于直接移相角控制的移相全桥LLC变换器混合控制策略
招聘
☝ 点击上面标题查看详情
北京工业大学信息学部的研究人员郭兵、张一鸣等，在2018年第19期《电工技术学报》上撰文，基于移相全桥LLC（PSFB-LLC）变换器，提出一种数字式直接相移控制（DDPSC）方法，并将该方法与传统线性控制相结合，提出一种混合控制策略。
该控制策略结合了线性控制和DDPSC控制的优点，易于实现，动态响应快。PSFB-LLC电路结构简单并且工作在定频模式下，在全负载范围内能够实现开关管的零电压开关（ZVS）和整流二极管的零电流开关（ZCS）。
该文对PSFB-LLC变换器谐振腔进行了详细分析，基于相平面分析和时域模型求解给出了混合控制策略的具体实现方案，并研制了一台3 kW的原理样机，通过实验结果验证了DDPSC控制器及混合策略的可行性和有效性。
直升机航空瞬变电磁勘探系统（Helicopter Transient Electro Magnetic system, HTEM）因具有成本低、分辨率高、通行性好等特点逐渐成为地质勘查领域主要工具之一，其原理是利用脉冲磁场在地下矿体中产生涡流，使用检测装置检测涡流的电磁场衰减情况，进而获取地下电性结构。
随着现代HTEM系统的发展，对发射脉冲的瞬时功率要求越来越高，对发射机功率变换器的指标要求越来越严格，特别是变换效率、功率密度和动态响应能力等。通常采用谐振变换器来满足HTEM发射机对效率和功率密度的要求，比如准谐振变换器、并联谐振变换器、串联谐振变换器和LLC谐振变换器。LLC谐振变换器因具有软开关范围宽、效率和功率密度高以及电磁干扰低等特点受到越来越多的关注。
LLC变换器通常采用变频控制实现电压增益的调整，在电压增益小于1时，变换器二次侧整流电路无法实现零电流开关（Zero-Current-Switching，ZCS），变换器效率较低，并且开关频率变化范围较宽，不利于磁性元器件和电磁兼容性的设计。另外，HTEM发射机输出功率具有脉动性，要求供电电源具有较好的动态性能。
近年来，一些新的控制方法被提出，包括脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）控制方法、移相控制、变频与移相的混合控制等方法。文献[17]将PWM控制法引入到LLC变换器中，用于改善高频段和轻载情况下损耗大的问题。文献[18]针对LLC谐振变换器提出了一种频率自适应相移调制控制策略以适应较宽的输入电压范围。
针对分布式电源和服务器电源，文献[19]提出了一种二次侧移相控制的LLC谐振变换器，能精确设定关机时间，在正常工作模式下谐振腔工作于谐振频率点，变换器效率比传统LLC变换器高。文献[20,21]利用相平面分析法对全桥LLC变换器短路电流进行分析，提出了基于移相控制的短路电流控制方法。文献[22]采用移相控制与变频控制的混合控制策略，扩展了双向LLC变换器的输出范围，然而反馈控制器仍采用简单的线性反馈。
上述研究主要集中在LLC变换器控制方法的基本工作原理上，反馈补偿均采用传统的线性补偿。F. C. Lee等基于相平面轨迹法提出了应用LLC变换器的最优轨迹控制（Simplified Optimal Trajectory Control, SOTC）方法，实现了负载突变时的快速调整，然而该方法基于变频控制模型推导得出，无法直接应用到基于移相全桥的LLC（Phase-Shifted Full-Bridge LLC, PSFB-LLC）变换器中。因此，有必要在负载参数变化的条件下研究如何提高PSFB-LLC变换器动态响应的问题。
针对上述情况，本文对PSFB-LLC的运行阶段和工作模式进行了分析，建立了精确的时域模型；基于时域模型和相平面轨迹提出数字式直接相移控制（Digital Direct Phase Shift Control, DDPSC）方法，并将该方法与传统线性补偿器结合，得到一种适用于PSFB-LLC的混合控制策略。
提出一种逻辑简单，易于数字化实现的混合控制器结构，最后采用数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）实现混合控制策略并搭建原理样机，通过实验波形验证理论分析的正确性。
图11 PI-DDPSC混合控制器结构框图
本文提出了一种应用于PSFB-LLC谐振变换器的混合控制策略，实现了负载突变时的快速调整。建立了PSFB-LLC变换器的时域模型，分析了变换器一次侧ZVS和二次侧ZCS的边界条件，给出了变换器软开关的实现范围。分析了相平面迁移轨迹，采用DSP实现了PI-DDPSC混合控制器并建立了3 kW的原理样机。
通过分析实验结果表明：1）基于混合控制策略实现的PI-DDPSC控制器提高了负载突变情况下变换器的动态性能；2）基于PI-DDPSC控制方法能够实现PSFB-LLC变换器稳压输出；3）PSFB-LLC变换器在全功率输出范围内实现了一次侧ZVS和二次侧ZCS；4）本文实现的控制器可方便地扩展变频控制模块，控制结构简单灵活。