基于LLC諧振變換器的電力電子變壓器

作者 / 劉書彤，海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院

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基于LLC諧振變換器的電力電子變壓器

作者 / 劉書彤，海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院

隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，科技持續(xù)發(fā)展，大功率電力電子變換技術(shù)等日益發(fā)展。隨之，電力電子變壓器取代了傳統(tǒng)鐵芯片變壓器，具有隔離、電壓變換等功能，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)變壓器飽和、空載損耗等缺陷。因此，本文作者對(duì)基于LLC諧振變換器的電力電力變壓器這一課題予以了探討。

LLC諧振變換器；電力電子變壓器

1. 電力電子變壓器

電力電子變壓器又被稱做PET，相關(guān)概念出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代。美國GE公司的W McMurray 提出了高頻鏈接的AC、AC變換電路，為電力電子變壓器的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1996年，日本學(xué)者根據(jù)電力電子變壓器的特點(diǎn)，巧妙地把相位調(diào)制技術(shù)融入其中，能夠有效校正恒壓、功率等，智能型的變壓器應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)90年代，美國密蘇里大學(xué)研制出PET一些實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，具有較好的電壓變換功能，較強(qiáng)的控制輸入功率因數(shù)能力。為了避免開關(guān)器件承受較大的應(yīng)力，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要輸入多個(gè)變流器串聯(lián)工作，但會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性能。

2. 基于LLC諧振變換器的電力電子變壓器

由于LLC諧振變壓器自然軟開關(guān)自身具有的工作是特性，可以實(shí)現(xiàn)“高效率、高功率密度、低成本”的功率變換，是一種重要的DC/DC拓?fù)?。在網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代下，LLC諧振變換器的應(yīng)用非常廣泛，比如，通信電源、新能源發(fā)電，發(fā)揮著不可替代的作用，有利于促進(jìn)不同行業(yè)、領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。因此，本文作者以三級(jí)型結(jié)構(gòu)為例，以LLC諧振變壓器為基點(diǎn)，對(duì)該類電力電子變壓器予以了探討。

■2.1 輸入高壓級(jí)

就三級(jí)型結(jié)構(gòu)而言，輸入高壓級(jí)、輸出低壓級(jí)、隔離級(jí)是重要的組成元素。其中的高壓級(jí)能夠?qū)⑷嘟涣麟妷恨D(zhuǎn)變?yōu)橹绷?。隨著相關(guān)技術(shù)不斷完善，三電平變換器結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以應(yīng)用于10kV電壓中，三電平整流器功率器件承受的電壓應(yīng)力不大，小于兩電平整流中功率器件。此外，它還具有一些其它功能，比如，輸出的電壓電流諧波比較小。

■2.2 隔離級(jí)

就隔離級(jí)來說，應(yīng)用的是半橋三電平LLC諧振變換電路，屬于DC/DC變換器，具有高頻鏈接。在高頻變壓器作用下，隔離、降壓功能得以順利實(shí)現(xiàn)，還在一定程度上減輕了自身體積、重量。主要是因?yàn)樽儔浩黧w積的大小是磁芯材料飽等的函數(shù)，飽和磁通密度、頻率屬于反比例關(guān)系。換句話說，一旦頻率提高，鐵芯材料利用率也會(huì)隨之提升，有利于減小變壓器的體積。對(duì)于高頻變壓器來說，其原邊是由多個(gè)開關(guān)串聯(lián)構(gòu)成的半橋三電平結(jié)構(gòu)。在諧振電容、漏感等作用下，促使那些處于高頻狀態(tài)的功率器件得以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，有利于降低能源損耗，提高能源利用率，減少電力電子變壓器運(yùn)營成本。全橋整流電路則是高頻變壓器的副邊。在LLC諧振電路作用下，副邊的二極管在不受任何因素影響下出現(xiàn)零電流關(guān)斷現(xiàn)象，可以有效防止電力電子變壓器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)電壓尖峰、反向恢復(fù)問題。

■2.3 輸出級(jí)

對(duì)于輸出級(jí)來說，需要對(duì)輸出的直流電壓逆變進(jìn)行有效地隔離，使其變?yōu)槿喙ゎl交流電壓，實(shí)現(xiàn)負(fù)載供電。通常情況下，輸出級(jí)的供電電壓為380V。在電路結(jié)構(gòu)運(yùn)行中，需要使用兩電平類型的三相電壓型逆變器。但在配電系統(tǒng)運(yùn)行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)非線性負(fù)載、不平衡負(fù)載，其中的逆變器必須采用三相四橋臂結(jié)構(gòu)。根據(jù)電力電子變壓器運(yùn)行情況，可以適當(dāng)增加第四橋臂，動(dòng)態(tài)控制中性點(diǎn)電壓，使整個(gè)電路中有三個(gè)獨(dú)立的電壓。這樣即使電力電子變壓器處于非線性負(fù)載、不平衡負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行供電，也能確保電路穩(wěn)定運(yùn)行，提供優(yōu)質(zhì)的供電電壓。

對(duì)于這類三級(jí)結(jié)構(gòu)電力電子變壓器來說，能夠順利實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)功能。具體來說，在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)不會(huì)受到負(fù)載電流質(zhì)量的影響，還可以根據(jù)工作需要，合理調(diào)整系統(tǒng)的測功率因數(shù)。同時(shí)，所輸出的負(fù)載側(cè)電壓具有恒定的特點(diǎn)，并不會(huì)因?yàn)樨?fù)載變化而發(fā)生任何變化，即使系統(tǒng)側(cè)電壓出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，也不會(huì)受到任何影響。更為重要的是：在LLC諧振變壓器作用下，電力電子變壓器結(jié)構(gòu)高頻隔離環(huán)節(jié)在不需要其它線路作用下，全負(fù)載范圍軟開關(guān)依然能夠順利實(shí)現(xiàn)，具有高變換效率，還能進(jìn)一步優(yōu)化PET設(shè)計(jì)，使其便于操作。

3. 結(jié)語

總而言之，在新時(shí)代下，以LLC諧振變換器的基點(diǎn)的電力電子變壓器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在LLC諧振變換器作用下，PET具有多樣化的功能，比如，隔離、變壓、傳遞能量，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載提供高質(zhì)量的電能，有效防止系統(tǒng)受到低品質(zhì)負(fù)荷的影響，處于安全、穩(wěn)定運(yùn)行中。以此，使該類電力電子變壓器更好地發(fā)揮自身作用，更好地作用于相關(guān)領(lǐng)域。

＊ ［1］陳啟超，王建賾，紀(jì)延超.基于LLC諧振變換器的電力電子變壓器［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，03：41-46.