LLC谐振全桥变换器在交流传动电力机车充电机中的应用.pdf

2 0 0 9 年1 月2 5 日第2 6 卷第1 期 通毪屯球技术 T e l e c o mP o w e rT e c h n o l o g yJ a r L2 5 ，2 0 0 9 ，V o L2 6N o 1 文章编号：1 0 0 9 - 3 6 6 4 ( 2 0 0 9 ) 0 1 - 0 0 0 1 - 0 5 - U i 弼or r 明丌蟊：童 L L C 谐振全桥变换器在交流传动电力机车充电机中的应用 黄志武，唐明明 ( 中南大学，湖南长沙4 1 0 0 7 5 ) 摘要：用于交流传动电力机车的大功率蓄电池充电机的工作效率要求在9 0 以上，采用硬开关技术的开关电源难以 达到要求。文章将L L C 谐振全桥变换器应用到交流传动电力机车充电机中，分析了该变换器的工作原理，提出了一套完 整的谐振参数设计方法，并结合S G 2 5 2 5 调频控制技术，设计了一款容量为3 5k w 的L L C 谐振全桥变换器。实验证明该 变换器工作稳定，在全输入和全负载范围内都实现了开关管的Z V S ，保证电路在高频下的高效运行，达到了交流传动电力 机车充电机的要求。 关键词：充电机；L L C 谐振全桥变换器；S G 2 5 2 5 ；调频控制；及厂s 中图分类号：T M 2 1 9 。T M l 7文献标识码：A A p p l i c a t i o no fL L CF u l l - B r i d g eR e s o n a n tC o n v e r t e ri nB a t t e r yC h a r g e r o fA CD r i v i n gE l e c t r i cL o c o m o t i v e H U A N GZ h iw u 。T A N GM i n g - m i n g ( C e n t r a lS o u t h e r nU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h ew o r ke f f i c i e n c yo fl a r g ec a p a c i t yb a t t e r yc h a r g e ru s e db yA Cd r i v i n ge l e c t r i cl o c o m o t i v ei sr e q u i r e df o r m o r et h a n9 0p e r c e n t s I ti sd i f f i c u l tt os a t i s f yt h i sr e q u i r e m e n tb yu s i n gh a r d - s w i t c h i n gt e c h n i q u e I nt h i sp a p e r ，t h eL L C f u l l - b r i d g er e s o n a n tc o n v e r t e ri sa p p l i e dt Ob a t t e r yc h a r g e r T h ew o r k i n gt h e o r yo ft h i sc o n v e r t e ri sa n a l y s e da n dam e t h o d o fd e s i g n i n gr e s o n a n tp a r a m e t e ri sp r o p o s e d C o m b i n e dw i t hP F Mt e c h n i q u eo fS G 2 5 2 5 ，aL I A Ef u l l - b r i d g er e s o n a n tc o n v e r t e rw i t hc a p a c i t yo f3 5k Wi sd e s i g n e d E x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc o n v e r t e rw o r k ss t a b l y I tc a nr e a l i z eZ V Si n f u l li n p u ta n dl o a dr a n g e ，e n s u r eh i g he f f i c i e n c yo ft h ec i r c u i ta th i g hf r e q u e n c ya n da c h i e v et h er e q u i r e m e n to fb a t t e r yc h a r g a t K e yw o r d s ：b a t t e r yc h a r g e r ；L L Cf u l l - b r i d g er e s o n a n tc o n v e r t e r ；S G 2 5 2 5 ；P F M ；Z V S 0 引 言 电源系统是电力机车不可缺少的重要设备，它的 性能将影响整个机车的运行质量。随着交流传动技术 的发展，我国已开始进入交流传动电力机车的时代，而 交流传动电力机车对所用的大功率蓄电池充电机的工 作效率要求达到9 0 以上，这是采用硬开关技术的开 关电源难以达到的。目前比较成熟的软开关技术如移 相全桥、不对称半桥等，它们也很难真正的做到所有开 关器件( 包括开关管和二极管) 的软开关，且随着开关 频率升高电路的损耗不断增加，因此需要采用更高转 换效率的电路结构。 L L C 谐振全桥变换器是一种新型的谐振变换器， 具有拓扑结构简单，功率密度高，初级开关管可实现 Z V S ，且关断电流小，次级整流二极管可实现Z C S ，变 换效率高，可高频化等特点。由于该类变换器参数多， 如何选择谐振参数是设计的关键。目前，针对L L C 谐 振变换器还没有简单的设计方法，大都采用试错法，通 过不断的调试和修改来获得合适的参数。文献 2 3 在 收稿日期：2 0 0 8 0 9 0 5 作者简介：黄志武( 1 9 6 6 一) ，男，教授，主要研究方向为故障诊 断，智能控制，电力机车传动与控制。 时域内推导了参数选择的参考公式，加入了限制条件， 利用图解法指明参数优化方向，结合调试获得设计参 数，但针对不同要求设置的限制条件不尽相同。文献 E 3 3 在频域内分析了L L C 谐振半桥变换器的一些特 性，推导出了一些有价值的参考公式，确定了参数的大 致范围，对该类变换器的调试工作有很大的指导意义， 但没有给出特性参数明确的求解公式，而且L L C 谐振 全桥变换器与L L C 谐振半桥变换器的设计方法并不 完全相同。本文针对现有设计方法谐振参数选择困 难、设计和调试复杂耗时的缺点，结合L L C 谐振全桥 变换器电路特性，以及文献 2 和 3 在频域和时域方 面的研究成果，提出了一套完整的参数设计方法，给出 主要参数的详细求解公式，并应用到电力机车大功率 蓄电池充电机中。在此基础上，以S G 2 5 2 5 为控制芯 片构建了一款变换器，通过合理的设计，使变换器在全 输入电压、全负载范围内实现软开关，保证电路在高频 下的高效运行。 1L L C 谐振全桥变换器工作原理 全桥D C - D C 变换器因具有很高的功率密度和磁 芯利用率而广泛应用于中功率场合川。L L C 谐振全 桥变换器主电路是在传统全桥电路和谐振电路结构基 1 。 万方数据 2 0 0 9 年1 月2 5 日第2 6 卷第1 期 通谯电潦技术 T e l e c o mP o w e rT e c h n o l o g y J a n 2 5 ，2 0 0 9 ，V 0 1 2 6N o 1 础上演变而来的，主电路结构见图1 所示。上升。此阶段中只有谐振电感L r 和谐振电容C ，参与 器萍举波I 负载 - II D ，I 图1L L C 谐振全桥变换器主电路结构 从图1 可见，电路的主要部分是；直流输入、开关 网络、谐振网络、变压器、整流电路、滤波电路以及负 载。其中开关网络包括四个功率M O S F E T ( S t 、S 2 、 S 3 、S 4 ) ，S ，和S 的控制脉冲是相同的，S 2 和S 4 的控 制脉冲是相同的，而且S 。、S 2 、S 3 、S 4 的占空比都是5 0 ；D ，、D 2 、D 3 、D 4 和C ，、C 2 、C 3 、C 4 分别是四个功率 M O S F E T 的体二极管和寄生电容。谐振网络包括谐 振电容C ，、励磁电感k 和谐振电感L r 。变压器为带 中间抽头的理想变压器T ，原、副边的匝数比是N ：1 ： 1 。变压器副边输出是一个带中间抽头的双半波整流 ( 全波整流) 滤波结构，全波整流二极管D 5 和D 6 ，输出 电容C 0 负载R L 。 该电路有两个谐振点，c r 和L r 的谐振频率 为： 2 丽1 ( 1 ) C 、L r 和k 的谐振频率厂m 为： 厶3i 而靠。 Q 1 L L C 全桥谐振变换器，相对于传统的串联谐振变 换器( S C R ) ，它不仅可以工作在f 少f r 的频率范围内， 而且它可以工作在f m f f r 的频率范围之内。L L C 谐振全桥变换器工作在彦厂r 的频率范围内的工作过 程和S R C 类似，当厶 K ，时，L L C 全桥谐振变换 器的工作波形如图2 所示，可将一个开关周期分成8 个工作模态。假定在图1 中的输出电容C 0 为无穷大， 可认为输出电压U o 不变。半个开关周期内该变换器 的工作过程如下： 模态l ：t o l 。当t = t 。时，S 2 、s 4 关断，谐振电 流给s 2 、S 4 的寄生电容充电，S 2 、S 4 的漏一源级电压线 性上升。t = t ，时，s 2 、s 4 上的电压上升到与输入电压 相等。此阶段中，次级I v D = 0 ，激磁电感L m 、谐振电感 L r 和谐振电容C ，参与谐振。 模态2 ：t ， ：。从t ，时刻起，初级电流i 。改变 流通路径，即流经S 1 ，S 3 的寄生体二极管，这就为S ， S 3 实现Z V S 创造了条件。i 。谐振上升，次级二极管D 5 导通。变压器初、次级绕组两端电压被箝位，i 。线性 谐振。 I S l ，3岛4 嗲z U p s l , 3 f 0 ：I再 I k 一 t I 2 一 I I 夕 卜3 j 卜 _ I 弋检一 b t I 龟 岛t 4 t 5t 6白龟 f 图2L L C 全桥谐振变换器工作波形 模态3 ：t ： 3 。当t = t ：时，S ，、S 3 在零电压下 导通，变压器原边承受正向电压；二极管D 5 导通，而 开关管s 2 、S 4 、二极管D 6 截止。此时谐振电容C ，和 谐振电感L r 参与谐振，而磁励电感L m 不参与谐振， 仅作为变压器。此时谐振电流按正弦波规律增加，另 外励磁电流从负的峰值到正的峰值线性增加。谐振电 流i ，和励磁电流i 。之间的差值就是负载电流i p l ，i p l 通过输出整流二极管D 5 传给负载。因为开关周期大 于L r 和C ，的谐振周期，当t = t 。时，谐振电流i 。一直 下降到与励磁电流i 。相同。 模态4 ：t 3 。当t = t 3 时，i 。= i 。，输出电流 I V D = 0 ，S ，、S 3 仍然导通，而D 5 、D 6 均处于关断状态， 1 1 n 不再被输出箝位。此时L m 、L r 和C ，一起参与谐 振，其构成的谐振周期远远大于开关周期，因此在这个 阶段可以认为励磁电流是保持不变的。 另半个周期的工作过程与前半个周期相同。 2L L c 谐振全桥变换器参数设计 设计和优化L L C 谐振全桥变换器的谐振参数是 设计该类变换器的关键。由上节对L L C 谐振全桥变 换器工作原理分析可知，C ，和L r 的谐振角频率为： 叫r = 7 赢1 ( 3 ) VL 7 r L ，r C ，、L ，和L m 的谐振角频率为： 一 1 一孩亏丽 令n = 旦= 乒 ( c J r Jr 忌= L L m ， ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 品质嗽Q 2 乏2 戋 7 c 式中，Z r = L 佩r a ro a , L ，；R 。= 8 n 2 R L 7 r 2 ，2 为变压器 万方数据 通毪屯潦菽术 黄志武等：L L C 谐振全桥变换器在交流传动T e l e c o mP o w e rT e c h n o l o g y 2 0 0 9 年1 月2 5 日第2 6 卷第1 期 电力机车充电机中的应用J a n 2 5 ，2 0 0 9 ，V o L2 6N o 1 的匝比；尺c 为负载电阻。 主要参数的设计过程如下： ( 1 ) 根据实际电源的要求确定变换器的谐振频率 和最大工作频率( 一般取 的1 3 倍) ，令它 们的比值为： n 。= 厂n 。f r ( 8 ) ( 2 ) 为了使变换器在全电压输入范围之内能正常 工作，求出其最大、正常、最小电压增益分别为： M 二= 产 ( 9 ) U i nn m M o = 产 ( 1 0 ) u 虬疵 M 一= 产 ( 1 1 ) U i n _ n o m ( 3 ) 计算变压器匝比： r 1 = _ 一 ，l2 口南( 1 2 ) 式中，a 为变压器的等效匝比 2 3 ；k 为励磁电感和谐振 电感的比值，其值分别为： n 2 再J _ i n n o m ( 1 3 ) U o n o m 惫= 一a M , m ( 1 - a M 耐一去) ( 1 4 )胪一 1 _ 瓦了J o ( 4 ) 选择合适的Q 值是变换器在整个运行范围内 确保Z V S 状态。主要考虑两种情况： ( a ) 电路在最小输入电压和满载的情况下变换器 工作在Z V S 的最大品质因数 = 晶= 器+ k ) 2 剥蕊赫+ ( 1 5 ) ( b ) 电路在最大输入电压和空载的情况下变换器 工作在Z V S 的最大品质因数 = 号高，R 。( 2 + C 5 t 。) ( 1 6 ) 式中，氏为M O S F E T 漏一源极之间的等效寄生电容； C 。脚为与谐振电路并联的等效寄生电容。为确保 Z V S 状态，变换器的最大品质因素应低于Q n 矧和 Q I 删中最小的1 个且要有一定的裕量，通常取： Q z v s m i n ( 0 9 Q 。l ，Q m 也)( 1 7 ) ( 5 ) 计算最小输入电压和满载时的最小工作频 率： 池= t t ( 1 8 ) ( 6 ) 谐振电路的特性阻抗和谐振元件参数： Z r = Q z v s R 。 ( 1 9 ) C r = 1 ( 2 a f r Z r ) ( 2 0 ) L ，= Z r ( 2 正厂r ) ( 2 1 ) L 。= k L ， ( 2 2 ) 上述设计方法给出了各个参数的详细求解公式，不 再需要对参数进行反复的修改，缩短了设计和调试的时 间。通过以上步骤，可以得到如下主要参数的值：变压 器匝比门、谐振电感L r 、谐振电容C r 、变压器的励磁电感 L I l 、最小工作频率、谐振频率厂r 、最大工作频率 o ，以这些参数为依据就可以进行L L C 谐振全桥变换 器的主电路和控制电路的设计。 3 构建L I 谐振全桥变换器 本文采用S G 2 5 2 5 作为控制芯片。S G 2 5 2 5 是一 种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成脉宽调 制( P W M ) 控制芯片，具有外围电路简单，温度特性好， 工作稳定等特点。通过对其外围电路的合理设计，使 其实现频率调制( P F M ) 的功能，和专用的谐振控制芯 片相比较，以相对较低的成本实现了优秀谐振控制芯 片的功能。 3 1S G 2 5 2 5 实现P F M 应用电路设计 通过分析S G 2 5 2 5 的基本工作过程 4 可知其一个 工作周期由两部分构成： 锯齿波上升时间： t 1 = 0 7 R T G ( 2 3 ) 锯齿波下降时间： t 2 = 3 R D G r( 2 4 ) 所以振荡器频率为： 厂= 1 ( t 1 + t 2 ) = 1 C r ( 0 7 R T + 3 R D ) ( 2 5 ) 为实现频率调制 7 ，电路中将S G 2 5 2 5 内部的误 差放大器输出强制拉高，使其输出信号为死区固定( 死 区时间t ：= 3 R D C r ) 对称信号，所以S G 2 5 2 5 振荡器的 频率主要是由S G 2 5 2 5 的5 脚外接电容G 和6 脚外 接电阻R T 确定，如图3 所示，通过调节S G 2 5 2 5 第6 脚的电流，即相当于调节充电电阻R T 的大小，来改变 芯片的驱动脉冲的频率。又由于G 不变，所以最小 频率由R T 决定，最大频率由R T ( R 一，十R 一) 决 定，选定了这三个电阻的值以后，芯片的输出频率范围 也就确定。 3 2L L C 谐振全桥变换器的设计 结合上述的S G 2 5 2 5 调频控制电路，利用S G 2 5 2 5 构建的L L C 谐振全桥变换器的原理图如图4 所示。 其中驱动选用的是T X 系列高频驱动器中的T x _ K D 3 0 2 ，输出反馈采样利用霍尔电压传感器，以变压器 的漏感作为谐振电感。 依据交流传动电力机车大功率蓄电池充电机的设 计要求，电源模块的设计规格如下： ( 1 ) 输入电压范围 U i 。血= 4 2 4 4 0 ( 1 5 ) = 5 9 1V D E ； U i 。= 4 2 4 4 0 ( 1 + 5 ) = 6 5 3V D C ； ( 2 ) 额定输入电压 U i 一= 2 4 4 0 = 6 2 2V D C 3 万方数据 2 0 0 9 年1 月2 5 日第2 6 卷第1 期 违缱电凉技术 T e l e c o mP o w e rT e c h n o l o g yJ a n 2 5 ，2 0 0 9 ，V 0 1 2 6N o 1 图3s G 2 5 2 5 实现频率调制f 嘲妊) 电路图 反馈 给定 图4 利用S G 2 5 2 5 构建的L L C 谐振全桥变换器原理图 ( 3 ) 输出电压 U 呐= 1 0 0 8v D C ； U o n o r a = 1 0 8 C ： U o 一= 1 1 5 2v D C ； ( 4 ) 最大输出功率 P 。= ( L 乙一+ U ) I o = ( 1 1 5 2 + 0 8 ) 3 0k W = 3 4 8k W ； 输出整流二极管的导通压降U 取0 8V 。 根据以上要求，依照第2 节中介绍的参数设计方 法，设计主要参数如下： 谐振频率为 ，考虑到整体的效率要求和体积要 求以及功率开关管M O S F E T 的开关频率上限等因 素，选择 = 2 0 0k H z ；由于所选择的M O S F E T 管容 量都比较大，节电容也较大，最大频率越高对驱动电路 的要求也越高，在接了一定的假负载以后选择最高频 率k = 3 0 0k H z ；励磁电感与谐振电感之比：k = 4 4 6 6 ；变压器匝比咒= 5 1 7 ；最低工作频率：k = 1 6 2k H z ；Z r = 2 9 5 2 1Q ；C ，= 2 7n F ；L ，= 2 3 5 z H ；L 。 4 。 31 0 5 弘H 。 由于选定的最小工作频率为1 6 2k H z ，最高频率 为3 0 0k H z ，死区时间为0 5I t s ，根据S G 2 5 2 5 调频原 理，结合可选用的元件值，确定调频电路参数如下：C r = 4 7 0p F ；R D = 2 0 0Q ；R T = 4 7k Q ；R m a x l = 1k Q ； R m a x 2 = 1k Q 。 4 实物调试结果 根据图4 所示电路搭建实物电路，并做了大量的 试验。这里主要考虑开关管是否工作在Z V S 软开关 状态以及整机效率。 图5 为最低4 1 8V A C 电压输入( 整流后为5 9 1 V ) ，带额定负载( 3 0A ) 时全桥中一个开关管的波形， 开关频率为1 6 2 6k H z ，与设计的最低频率1 6 0k H z 基本一致，M O S F E T 工作在Z V S 的“软开通”状态。 图6 为最高4 6 2V A C 电压输入，带5 1 0Q 小负载 ( 相当于空载) 时，全桥中一个开关管的波形，开关频率 为2 8 5 3k H z ，在设计的3 0 0k H z 最高频率范围之内， 万方数据 通镶电凉技术黄志武等：L L C 谐振全桥变换器在交流传动T e l e c o mP o w e rT e c h n o l o g y 2 0 0 9 年1 月2 5 日第2 6 卷第1 期 电力机车允电机中的应用J a n 2 5 ，2 0 0 9 ，V o k2 6N o 1 此时M O S F E T 也工作在Z V S 的“软开通”状态。 图7 给出了该变换器的效率曲线，由图可知，在全 、。 输入和全负载范围内，整机效率都比较高。 U a 2 0 0 V 格，L k t o Y 格，t 1 5 扯s 格 图5 最低4 1 8V A C 输入带额定负载时M O S F E T 电压波形 U a , 2 0 0 V 格U g s l o v 格，t o 5 t x s 格 图6 最高4 6 2V A C 电压带5 1 0Q 负载时M O S F E T 电压波形 O 9 6 O 9 5 0 9 4 0 9 3 O 9 2 0 9 1 0 9 0 l l K ( a ) L k = 4 4 0V A C ，输出电流变化时 5 结论 9 6 9 5 9 4 9 3 9 2 9 1 9 0 4 1 64 2 54 3 54 4 54 5 54 6 2 U N ( b ) I o = 3 0 A ，输入电压变化时 图7 变换器效率曲线 本文分析了L L C 谐振全桥变换器工作原理，给出 了谐振参数的详细设计方法，同时介绍了S G 2 5 2 5 调 频应用电路，并以其为控制芯片设计了一款用于交流 传动电力机车充电机的3 5k WL L C 谐振全桥变换 器。试验结果表明：用本文所提出的谐振参数的设计 方法和S G 2 5 2 5 调频控制电路所设计的L L C 谐振全 桥变换器，在全输入和全负载范围内都实现了开关管 的Z V S ，保证了变换器的高效率，达到了交流传动电 力机车充电机的要求。 参考文献： - 1 3 张军明中功率D C - D C 变流器模块标准化若干关键问题 的研究E D 杭州：浙江大学 博士学位论文 ，2 0 0 4 E 2 3T e n gL i u ，Z i y i n gZ h o u ，A i m i n gX i o n g ，J o h nZ e n ga n d J i a n p i n gY i n g AN o v e lP r e c i s eD e s i g nM e t h o df o rL L C S e r i e sR e s o n a n tC o n v e r t e r C I E E EA P E C ，2 0 0 6 E 3 B i n gL u ，W e n d u oL i u ，Y a nL i a n g ，F r e dCL e e ，J a c o b u s Dv a i lW y KO p t i m a lD e s i g nM e t h o d o l o g yf o rL L CR e s o n a n tC o n v e r t e r C - I E E E ，0 - 7 8 0 3 9 5 4 7 - 6 ，2 0 0 6 E 4 2 郭炯杰S G 3 5 2 5 在开关电源中的应用r - j - 1 集成电路应 用，2 0 0 4 ，( 6 ) ：2 0 - 2 4 1 - 5 3 段海雁，张光先利用S G 3 5 2 5 实现调频控制的感应加热 电源r j 电源世界，2 0 0 6 ，4 9 5 1 ， ， ， l i p ， ， ，l ，m ，l ， ，l ，l m ，m ，m ，m ，- - 翻跨业信蔼臻 交换机技术向第七层发起冲击 交换机技术正朝着两个方向发展：一个方向是速度越来越快，已经从千兆跳跃到万兆；另一个方向是从最初的2 层发展到3 层 交换，目前已经发展到网络的第七层应用层的交换。 形象地说，速度越来越快就是走量变的路线，而交换的层次越来越高走的是质变的路