前言：
我對(duì)LLC諧振拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)寬范圍ZVZCS的研究一直沒(méi)有停止，（2020年/11月）我推送了使用DAB SRC的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振全橋的ZVZCS工作，可見(jiàn)：《一種基于DAB SRC的ZVZCS控制實(shí)現(xiàn)與仿真》，基于它的思路也推送了三相DAB的實(shí)現(xiàn)方法：《一種三相交錯(cuò)DAB SRC的ZVZCS控制實(shí)現(xiàn)與仿真》。但是這種控制方法需要把副邊全橋拉起來(lái)一起控制，這加大了系統(tǒng)的控制復(fù)雜度，應(yīng)用在雙向DCDC就挺好，單向DCDC就挺麻煩。
如果想只控制原邊H橋的四個(gè)開(kāi)關(guān)管就實(shí)現(xiàn)寬范圍ZVZCS工作，就非常困難。因?yàn)槟阒荒馨言匟橋固定在諧振頻率上，再通過(guò)其它方法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)整，可見(jiàn)這篇文章里提到的實(shí)現(xiàn)方法：《兩種諧振全橋?qū)崿F(xiàn)ZVS和ZCS的控制方式思考》。
但從這篇文章中我提煉和總結(jié)了想要實(shí)現(xiàn)ZVZCS的關(guān)鍵操作，那就是：讓諧振電流的上升和下降沿的時(shí)間不等。如果諧振腔的電流波形在上升速度快于下降速度或者下降速度快于上升的速度，那么在一個(gè)正弦周期內(nèi)，它就會(huì)提前下降到零。你肯定會(huì)問(wèn)怎么實(shí)現(xiàn)呢？RLC的串聯(lián)諧振，如果沒(méi)有人為干預(yù)，諧振電流的上升和下降的斜率肯定是一樣的，它會(huì)嚴(yán)格的按正弦波的方式變化。我們先來(lái)看波形，等下再說(shuō)原理:
可見(jiàn)圖一，上面是正常的LLC工作在諧振頻率時(shí)的電流波形，下面是加快了電流上升速度的諧振電流波形。
（圖一 ZVZCS實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵操作）
根據(jù)這個(gè)思路的仿真測(cè)試波形可見(jiàn)圖二，具體原理請(qǐng)參考：《兩種諧振全橋?qū)崿F(xiàn)ZVS和ZCS的控制方式思考》。
(圖二 人為改變了諧振電流上升速度)
上圖中的諧振電流波形在上升沿的速度快，下降沿速度慢的主要原因，是因?yàn)橐肓烁边叺投碎_(kāi)關(guān)管的控制，通過(guò)副邊開(kāi)關(guān)來(lái)短路副邊繞組，讓加在諧振電感上的電壓變高，從而提升了電流上升的斜率。這個(gè)點(diǎn)子給了我非常多的思考空間。
最近一位在英國(guó)讀博的朋友發(fā)來(lái)一本沙德尚老師的《 Deshang Sha, Guo Xu - High-Frequency Isolated Bidirectional Dual Active Bridge DC–DC Converters with Wide Voltage Gain (2019, Springer Singapore) 》一書(shū)。我從該書(shū)的第四章：《Dual-Transformer-Based DAB Converter with Wide ZVS Rangefor Wide Voltage Gain Application》獲得了一些啟發(fā)。
且看下圖是增加了一個(gè)固定電壓橋臂和一個(gè)變壓器后的DAB變換器，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)變壓器的串聯(lián)的輸出電壓VDE和副邊橋臂VFG的相位差，來(lái)實(shí)現(xiàn)在不同負(fù)載情況下DAB的工作效率優(yōu)化和減少無(wú)功換流。這個(gè)idea通過(guò)引入被動(dòng)橋臂的VAB的電壓，再調(diào)整主動(dòng)橋臂VAC的電壓，在重負(fù)載時(shí)候VAC的占空比全開(kāi)，輕負(fù)載時(shí)VAC的占空比最小化。（備注：這個(gè)控制方法沙老師已經(jīng)申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利）
（圖三 雙變壓三橋臂DAB變換器）
下圖四是典型工況的電壓波形：我們需要重點(diǎn)關(guān)心VAC、VAB、VDE和VFG的幾個(gè)電壓。可知S1/S4的移相調(diào)整得到VAC的電壓波形，也就是下圖中的D1*Ts這個(gè)波。兩個(gè)電容串聯(lián)的被動(dòng)橋臂引入后VAB上產(chǎn)生有V1/2的對(duì)稱(chēng)方波，它與S1/S2共同組成不可調(diào)的固定電壓VAB。通過(guò)兩個(gè)變壓器的串聯(lián)方法將這兩個(gè)電壓疊加起來(lái)得到VDE，也就是下圖中紅色的波形。
繼而通過(guò)VDE與副邊橋臂VFG的相位角度來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，同時(shí)還可以調(diào)整S1/S4這個(gè)主動(dòng)橋臂的移相角度來(lái)調(diào)整VDE上的電壓波形，VDE在最大時(shí)可以是V1，最小時(shí)是V1/2。在閉環(huán)調(diào)整時(shí)可能存在三個(gè)電平V1、V1/2、0。因此可以在不同負(fù)載時(shí)來(lái)降低環(huán)流，優(yōu)化效率。在S1/S4的移相為0.25*Ts時(shí)，VDE的電壓為V1和V1/2的時(shí)間相等，因此可以讓流過(guò)電感Lk的電流波形上升和下降沿的速度相等，來(lái)實(shí)現(xiàn)ZCS工作。
（圖四 各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓波形） 這個(gè)被動(dòng)橋臂的引入后，再通過(guò)變壓器的串聯(lián)疊加就能改變加在電感上的電壓波形，也讓我看到了一些希望。如果是把電容換成一組主動(dòng)橋臂，讓S1/S4就以50%的對(duì)稱(chēng)開(kāi)關(guān)，我通過(guò)調(diào)整主動(dòng)橋臂的占空比也能改變一些東西，比如：可以改變加在電感兩端的電壓。
由于我對(duì)這個(gè)實(shí)現(xiàn)特別感興趣，所以去查看了這個(gè)章節(jié)的一個(gè)參考文獻(xiàn)：《Ning G, Chen W, Shu L, Qu X (2017) A hybrid ZVZCS dual transformer-based full-bridgeconverter operating in DCM for mvdc grids. IEEE Trans Power Electron 32(7):5162–5170》 在這篇文章中我看到了這個(gè)圖和我思路出發(fā)點(diǎn)一樣，通過(guò)把電容改為主動(dòng)橋臂后，調(diào)整對(duì)應(yīng)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電感兩端電壓VLt的影響，功率拓?fù)淇梢?jiàn)圖五：
（圖五 增加主動(dòng)橋臂和雙變壓器串聯(lián)） 關(guān)鍵控制波形可見(jiàn)圖六：可以看到當(dāng)主動(dòng)橋臂Q5/Q6關(guān)閉時(shí)，電感電壓VLt明顯產(chǎn)生了負(fù)向電壓，這個(gè)負(fù)向電壓讓電感電流快速下降到零，實(shí)現(xiàn)了ZCS工作。
（圖六 關(guān)鍵控制波形） 于是我立刻聯(lián)想到我的ZVZCS諧振全橋LLC的研究，如果我能利用主動(dòng)橋臂提前關(guān)閉產(chǎn)生了加在電感上的反向電壓，就可以讓電感電流的下降速度大幅度提高，甚至提前達(dá)到零點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)ZVZCS工作，其原理可見(jiàn)圖七所示：
（圖七 改變電流下降斜率提前過(guò)零） 所以，我現(xiàn)在的思路是通過(guò)引入外部措施來(lái)改變諧振腔電流的下降速度或者叫斜率，它們都是改變電感上的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)ZCS。然后LLC依靠變壓器的勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)ZVS。所以這樣看起來(lái)LLC諧振變換器的ZVZCS控制已經(jīng)有實(shí)現(xiàn)的可能性了，且看：
- 增加一路主動(dòng)橋臂，用來(lái)提供電感上的反向電壓
- 使用變壓器的勵(lì)磁電感實(shí)現(xiàn)ZVS
- 兩個(gè)變壓器的匝比可以相等也可以不等，匝比會(huì)影響反向電壓強(qiáng)迫電感電流下降的速度，這個(gè)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化
- 副邊使用二極管橋不控整流，并且是ZCS簡(jiǎn)化SR控制邏輯和電壓應(yīng)力
- 由于當(dāng)輔助橋臂占空比為0時(shí)，僅能輸出一個(gè)變壓器的電壓。所以得到了非常寬范圍的增益，比如兩個(gè)變壓器匝比為2/1，輸入400V，當(dāng)輔助橋臂占空比0.5時(shí)，在諧振頻率時(shí)能輸出400V（增益為1），當(dāng)輔助橋臂占空比為0時(shí)，僅能輸出200V（增益還是1），所以輔助橋臂的占空比引入后能和PFM一起實(shí)現(xiàn)非常靈活的控制策略，同時(shí)也保證了非常寬的增益范圍。
- 增加的橋臂和變壓器均分了副邊的輸出功率，這樣降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)ZVZCS的成本和所有器件的熱應(yīng)力。
綜上所述下面是系統(tǒng)拓?fù)洌梢?jiàn)圖八、圖九，分別是兩個(gè)變壓器串聯(lián)，同時(shí)增加了輔助橋臂：
（圖八 全橋LLC和輔助橋臂） 也可以把LLC全橋換為半橋，取消一組高頻開(kāi)關(guān)用電容器來(lái)做被動(dòng)橋臂，兩種實(shí)現(xiàn)的原理是相同的。
（圖九 半橋LLC和輔助橋臂） 典型工況測(cè)試：輸入400V，匝比2/1，工作在諧振頻率75KHz，輔助橋臂占空比0.45，輸出400V/7KW，運(yùn)行測(cè)試，波形可見(jiàn)圖十。
（圖十 典型工況測(cè)試） 從仿真的測(cè)試波形圖十可以看到，由于輔助橋臂Q9/Q10的提前關(guān)閉，在諧振電感兩端產(chǎn)生了很高的反向電壓。使得諧振電流下降的斜率明細(xì)增加，很快就下降到等于勵(lì)磁電流的平臺(tái)區(qū)域，變壓器的勵(lì)磁電流用于實(shí)現(xiàn)ZVS。 圖十一是變壓器的副邊電壓和電流以及原變電流，可以看到副邊電流都能回到零點(diǎn)，這個(gè)對(duì)副邊整流器實(shí)現(xiàn)SR控制的時(shí)序邏輯會(huì)比較方便。另外就是原邊的兩個(gè)變壓器的電流相等，相當(dāng)于是均分了負(fù)載功率，這樣對(duì)設(shè)計(jì)變壓器和輔助橋臂的開(kāi)關(guān)器件的選型也有益處。
（圖十一 變壓器副邊電壓電流和原變電流） 從上面的討論和分析來(lái)看，通過(guò)調(diào)整輔助橋臂的占空比來(lái)加快諧振電流下降的斜率，用于實(shí)現(xiàn)ZVZCS的實(shí)現(xiàn)原理已經(jīng)介紹完畢，所以下面開(kāi)始測(cè)試在不同工況時(shí)的系統(tǒng)性能：0、輸入400V，匝比2/1，工作頻率75KHz，輔助橋臂占空比0.475，輸出400V/8KW，增益1.0，運(yùn)行測(cè)試：
1、輸入400V，匝比2/1，工作頻率125KHz，輔助橋臂占空比0.45，輸出361V/6.5KW，增益0.905，運(yùn)行測(cè)試：
2、輸入400V，匝比2/1，工作頻率125KHz，輔助橋臂占空比0.25，輸出310V/4.8KW，增益0.775，運(yùn)行測(cè)試：
3、輸入400V，匝比2/1，工作頻率100KHz，輔助橋臂占空比0.1，輸出230V/5.3KW，增益0.575，運(yùn)行測(cè)試：
4、輸入400V，匝比2/1，工作頻率100KHz，輔助橋臂占空比0，輸出183V/3.3KW，增益0.45，運(yùn)行測(cè)試：（這個(gè)就是普通LLC PFM波形）
從測(cè)試的幾個(gè)工況來(lái)看，這種控制方法能在非常寬的工作范圍上實(shí)現(xiàn)原邊開(kāi)關(guān)ZVZCS，副邊整流器實(shí)現(xiàn)ZCS。為了實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換效率可以考慮把頻率和輔助橋臂的占空比耦合起來(lái)，推導(dǎo)成輸出功率的函數(shù)來(lái)同時(shí)控制頻率和占空比，從而優(yōu)化系統(tǒng)效率。考慮到當(dāng)輔助橋臂占空比減小時(shí)，所有輸出功率由LLC主變壓器和橋臂承擔(dān)，這樣不利于效率的優(yōu)化。因此建議在中高負(fù)載時(shí)先固定輔助橋臂占空比，只要能實(shí)現(xiàn)ZVZCS就先不要操作輔助橋臂。先通過(guò)PFM來(lái)調(diào)整增益輸出，而當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載較低，則可以固定開(kāi)關(guān)頻率在高頻，轉(zhuǎn)為調(diào)整輔助橋臂的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的控制。把這些策略綜合起來(lái)就可以?xún)?yōu)化全局效率。
小結(jié)和未來(lái)工作：
根據(jù)參考文獻(xiàn)2的思路，提出了雙變壓器三橋臂，寬范圍ZVZCS的控制方法，實(shí)現(xiàn)了在不同的增益工況下的雙軟開(kāi)關(guān)工作，優(yōu)化了各種負(fù)載的效率，提升了系統(tǒng)的功率密度。該實(shí)現(xiàn)方式控制方法簡(jiǎn)單可行，增加的變壓器和輔助橋臂均能分擔(dān)系統(tǒng)功率，系統(tǒng)拓?fù)浜涂刂品椒ň哂蟹浅８叩膶?shí)用意義，希望下一步能根據(jù)這個(gè)idea做出有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。 從目前的工作來(lái)看，僅是提出了這個(gè)idea的簡(jiǎn)單思路，其實(shí)還可以深挖很多內(nèi)容出來(lái)，比如：輔助橋臂占空比和開(kāi)關(guān)頻率的優(yōu)化，不同增益區(qū)間的最優(yōu)工作點(diǎn)尋找，實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，以及往產(chǎn)品化方向的深入發(fā)展。
這些工作我都會(huì)在后面陸續(xù)更新，謝謝支持。本人能力有限，如有錯(cuò)誤，懇請(qǐng)幫忙指正，謝謝！
下載關(guān)鍵字：LLC_ZVZCS_0625
參考文獻(xiàn)：
1、Ning G, Chen W, Shu L, Qu X (2017) A hybrid ZVZCS dual transformer-based full-bridgeconverter operating in DCM for mvdc grids. IEEE Trans Power Electron 32(7):5162–5170
2、Deshang Sha, Guo Xu - High-Frequency Isolated Bidirectional Dual Active Bridge DC–DC Converters with Wide Voltage Gain (2019, Springer Singapore)