基于SiC器件車載雙向全橋CLLC諧振變換器設(shè)計(jì)及其控制方法研究

王濤　羅文廣

摘? 要：針對傳統(tǒng)的控制策略動(dòng)態(tài)性能不足，電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值較慢，受到負(fù)載切換擾動(dòng)較大及SiC mosfet反向?qū)▔航递^大等缺點(diǎn)，提出了一種對CLLC諧振變換器的自抗擾控制策略，在無需對CLLC諧振變換器精確建模的情況下，建立擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和設(shè)計(jì)PD控制器，將副邊設(shè)計(jì)為有源整流橋，以提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，降低超調(diào)量，減小超調(diào)時(shí)間，減少諧波含量，在不增加額外器件的情況下減小損耗，進(jìn)一步提升變換器的功率密度，降低了二極管壓降對于整流電壓的不利影響，對輸出電壓進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化.設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入為350 V，輸出為300 V，功率3 kW的雙向全橋CLLC諧振變換器，以羅姆公司sct3060al-e SiC mosfet的數(shù)據(jù)為例，運(yùn)用該方法通過simulink對變換器進(jìn)行正向、反向仿真驗(yàn)證.結(jié)果表明，與傳統(tǒng)控制策略對比仿真，其超調(diào)量從3.3%降低至1.6%，且超調(diào)時(shí)間更短，系統(tǒng)諧波含量更少.驗(yàn)證了對于CLLC諧振變換器采用自抗擾控制相比于傳統(tǒng)控制策略具有超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短、輸出電能質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn).

關(guān)鍵詞：CLLC諧振變換器;自抗擾控制;SiC器件;軟開關(guān)

中圖分類號：TM46DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.006

0引言

隨著科技的發(fā)展，在電力電子領(lǐng)域，對功率變換器的功率密度、轉(zhuǎn)換效率、動(dòng)態(tài)性能等要求不斷提高[1-3].目前將新興的寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)用于功率變換器成為熱點(diǎn)話題.寬禁帶半導(dǎo)體材料優(yōu)越的特性為電力電子技術(shù)發(fā)展帶來了新的提升.相較于硅材料，碳化硅材料具有更高的電子飽和速度、更低的功率器件功率損耗，且碳化硅材料的單位面積載流能力強(qiáng)，故器件的功率密度得以提高[4-5].文獻(xiàn)[6]對半橋LLC拓?fù)溥x用碳化硅器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，為SiC器件在LLC變換器應(yīng)用中提供了理論分析.但其設(shè)計(jì)的開關(guān)諧振頻率為 40 kHz，對于SiC mosfet來說設(shè)計(jì)較為保守.文獻(xiàn)[7]將SiC器件應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車上，大幅降低油耗，擴(kuò)大駕駛艙空間.文獻(xiàn)[8]提出一種SiC三相逆變器熱設(shè)計(jì)方法，分析了散熱器熱阻值幾何結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)的關(guān)系，并驗(yàn)證該熱設(shè)計(jì)方法的合理性與正確性，但沒有考慮到SiC mosfet的壓降問題.

文獻(xiàn)[9-11]介紹了軟開關(guān)的原理，將軟開關(guān)與傳統(tǒng)的硬開關(guān)作對比設(shè)計(jì)，突出了軟開關(guān)能夠降低開關(guān)損耗，提升轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn).但文中的控制方式為開環(huán)控制，無自動(dòng)糾偏能力.文獻(xiàn)[12-13]引入高頻軟開關(guān)技術(shù)，可在寬泛的輸入電壓范圍內(nèi)可靠工作，電源開關(guān)以半橋的形式連接，但該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電壓應(yīng)力較大，不適用于電壓等級較高的場合.文獻(xiàn)[14]中相較于半橋功率變換器，全橋功率變換器開關(guān)管應(yīng)力僅為其一半，因此，能實(shí)現(xiàn)較大功率的變換.其中雙向CLLC全橋諧振變換器相較于普通LLC諧振變換器，實(shí)現(xiàn)雙向隔直，避免因電壓方波不對稱導(dǎo)致變壓器偏磁飽和的問題，但其采用的傳統(tǒng)PI控制策略，當(dāng)負(fù)載切換擾動(dòng)較大時(shí)，其響應(yīng)速度比較慢、波動(dòng)較大.

對于車載雙向DC/DC變換器而言，當(dāng)汽車行駛工況改變時(shí)，變換器負(fù)載存在突變的情況，母線電壓出現(xiàn)較大波動(dòng).因此，車用雙向DC/DC變換器除了安全、可靠等常規(guī)要求外，還要求具備更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能.基于上述問題，本文針對CLLC諧振變換器設(shè)計(jì)了自抗擾控制策略，通過仿真對比傳統(tǒng)控制策略驗(yàn)證了該控制策略的有效性，并針對CLLC變換器特點(diǎn)和SiC mosfet反向?qū)▔航递^大的特性，將副邊設(shè)計(jì)為有源整流橋，在不增加額外器件的情況下減小損耗，進(jìn)一步提升變換器的功率密度.

1基于SiC器件的車載雙向全橋

CLLC諧振變換器設(shè)計(jì)

1.1?? 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙向全橋CLLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包含充電模式和放電模式.雙向CLLC諧振變換器由兩個(gè)全橋電路和諧振網(wǎng)絡(luò)組成，其中S1—S4和S5—S8構(gòu)成兩個(gè)全橋電路，[Lr1] 、[Lr2]、[Lm]、[Cr1]與[Cr2]構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)，且[Cr1]和[Cr2]起隔直作用，變壓器起電氣隔離作用.充電模式時(shí)，S1、S4與 S2、S3加占空比不超過50%的互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號，S5—S8充當(dāng)二極管進(jìn)行整流;放電模式時(shí)，S5、S8與 S6、S7加占空比不超過50%的互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號，S1—S4進(jìn)行整流.

3仿真及分析

根據(jù)前面的分析設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)正向和反向運(yùn)行進(jìn)行仿真.開關(guān)管采用羅姆公司sct3060al-e SiC mosfet的具體參數(shù)進(jìn)行仿真，通態(tài)電阻為0.6 Ω，寄生二極管壓降為3.2 V.分別對變換器在正向和反向運(yùn)行時(shí)不同工作情況下進(jìn)行仿真.正向仿真波形如圖8—圖11所示.圖8中，原邊開關(guān)管的漏源極電壓下降為0時(shí)，開關(guān)管才開始導(dǎo)通，滿足ZVS開通.圖9中，變換器工作在諧振頻率處，由于工作在諧振點(diǎn)，該諧振電流的波形近似為正弦波.由圖10可知副邊整流二極管恰好實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷（ZCS）.由圖11可知，此時(shí)輸出電壓穩(wěn)定在300 V.

反向仿真波形如圖12—圖13所示.同正向分析方法類似，可以看出全橋CLLC諧振變換器參數(shù)設(shè)計(jì)合理，能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS和ZCS，并且輸出電壓電流穩(wěn)定，設(shè)計(jì)可行.

CLLC諧振變換器的自抗擾控制（ADRC）框圖及參數(shù)設(shè)計(jì)如圖14—圖15所示.

根據(jù)設(shè)計(jì)的模型和參數(shù)運(yùn)用simulink進(jìn)行仿真對比驗(yàn)證.圖16為模擬汽車運(yùn)行時(shí)由半載切換到滿載時(shí)電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖，其中虛線為傳統(tǒng)的PID控制策略動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，實(shí)線為自抗擾控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線.

通過對比仿真可知，相較于PID控制策略，采用自抗擾控制策略的超調(diào)量從3.3%降低至1.6%，且超調(diào)時(shí)間更短，系統(tǒng)諧波含量更少.驗(yàn)證了對于新能源車CLLC諧振變換器采用自抗擾控制相比于傳統(tǒng)的PID控制策略具有超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短、抗擾性能強(qiáng)、輸出電能質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn).

4結(jié)束語

本文介紹了全橋CLLC諧振變換器的工作原理，利用基波分析法得到變換器的電壓增益表達(dá)式.分析實(shí)現(xiàn)ZVS的約束條件，通過各個(gè)參數(shù)對增益的影響給出了簡便的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合增益表達(dá)式畫出增益曲線進(jìn)行驗(yàn)證.針對新能源汽車行駛工況較為復(fù)雜，要求車用雙向DC/DC變換器具有更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，本文針對CLLC諧振變換器設(shè)計(jì)了自抗擾控制策略，通過仿真對比傳統(tǒng)控制策略驗(yàn)證了該控制策略的有效性，并基于CLLC變換器特點(diǎn)和SiC mosfet反向?qū)▔航递^大的特性，將副邊設(shè)計(jì)為有源整流橋，在不增加額外器件的情況下減小損耗，進(jìn)一步提升變換器的功率密度，降低了SiC mosfet的二極管壓降對于整流電壓的不利影響，實(shí)現(xiàn)了對輸出電壓參數(shù)的優(yōu)化.

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Design and control method of vehicle bidirectional full bridge CLLC resonant converter based on SiC device

WANG Tao1，2， LUO Wenguang*1，2

（1. School of Electric and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China;2. Guangxi Key Laboratory of Automobile Componment and Vehicle Technology（Guangxi University of Science and Technology）， Liuzhou 545006， China）

Abstract： The driving conditions of new energy vehicles are more complicated， and the two-way DC/DC converters for vehicles are required to have higher dynamic response performance. Aiming at the shortcomings of traditional control strategies such as insufficient dynamic performance， slower voltage reaching the steady-state value， greater disturbance of load switching， and greater reverse voltage drop of SiC mosfet， an auto disturbance rejection control strategy for CLLC resonant converters is proposed. An extended state observer is established and a PD controller is designed without the need for accurate modeling of CLLC resonant converter. The secondary side is designed as an active rectifier bridge to improve the dynamic response performance， reduce overshoot， overshoot time and harmonic content. The power density of the converter is further improved by reducing the loss without adding additional devices， and the adverse effect of diode voltage drop on the rectifier voltage is reduced. The output? voltage parameters are optimized. A bidirectional full-bridge CLLC resonant converter with an input of 350 V， an output of 300 V， and a power of 3 kW is designed. Taking the data of Rohm's sct3060al-e SiC mosfet as an example， this method is used to forward and reverse the converter through simulink Simulation.? The? results show that compared with the traditional control strategy，? the? overshoot? is?reduced from 3.3% to 1.6%， and the overshoot time is shorter. The system has less harmonic content. Compared with the traditional control strategy， the use of auto-disturbance rejection control for the CLLC resonant converter has the advantages of small overshoot， short adjustment time and good output power quality.

Key words： CLLC resonant converter; auto disturbance rejection control; SiC device; soft switching

（責(zé)任編輯：黎 ? 婭）

收稿日期：2020-11-30

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61563006）;廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2020GXNSFDA238011）資助.

作者簡介：王濤，碩士研究生.

通信作者：羅文廣，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：智能控制及應(yīng)用、汽車電子控制技術(shù)，E-mail：lwg168@126.com.