ESS 中双向 CLLLC 谐振转换器的控制方案

　　单级隔离转换器，例如双向电容器-电感器-电感器-电感器-电容器 (CLLLC)，是储能系统 (ESS) 中常用的转换器类型，可节省系统成本并提高功率密度。 CLLLC 的增益曲线较为平坦，但是，当开关频率 (f s ) 高于串联谐振频率 (fr )时，增益曲线将变得非常平坦。变压器和 MOSFET 的寄生电容也会显着影响转换器增益 [1]，从而导致转换器的输出电压失控。在本电源技巧中，我将介绍 CLLLC 控制算法和同步整流器 (SR) 控制方法来消除这种非线性，并使用 3.6 kW 原型转换器来验证性能。图 1是住宅 ESS 的框图。

　　图 1带有双向功率因数校正 (PFC)/逆变器、双向 DC/DC 转换器和功率点跟踪 (MPPT) 的住宅 ESS 框图。资料来源：德州仪器
　　控制阶段的设计考虑
　　图 2显示了带有寄生电容器的全桥 CLLLC 谐振转换器的电路拓扑。该拓扑由对称谐振回路和全桥结构组成。

　　

　　图 2带有寄生电容的全桥 CLLLC 转换器的电路拓扑。资料来源：德州仪器

　　图 3显示了 CLLLC 的理想增益曲线。与 LLC 转换器类似，变频控制是 CLLLC 谐振转换器的一种流行控制方案。

　　图 3使用变频控制的理想 CLLLC 增益曲线。资料来源：德州仪器

　　如前所述，当 f s超过 f r时，增益曲线是平坦的。此外，随着功率水平的增加，转换器需要在电池侧并联更多的FET来处理更多的电流，这意味着输出全桥FET上的输出电容（C oss）将非常大。考虑到变压器绕组间电容和C oss的寄生参数，高频时的增益曲线非单调性严重，对应于轻载情况，如图4所示。

　　图 4考虑变压器绕组间电容和 C oss等寄生参数的 CLLLC 增益曲线。资料来源：德州仪器
　　在这种情况下，频率控制就没用了。打嗝模式是解决 CLLLC 谐振转换器非单调特性的常用方法，但该方法不适合电池应用，因为转换器需要在电池电压较低时提供高电流。脉宽调制（PWM）和相移控制可以解决这个问题，但PWM控制会使晶体管工作在硬开关状态，从而降低效率并限制工作频率。因此，相移控制是更好的选择。

　　控制逻辑

　　图5所示为频率与相移混合控制方案图。启动时电池电压较低，因此转换器需要以低充电电流软启动，以限制高电流尖峰并延长电池寿命。如果谐振电感值或频率不够高，高频软启动的效果有限。当电池充电到接近满容量时，会以小电流进行涓流充电，并保持恒定电压。这两种情况都对应于转换器的轻负载条件。根据之前的分析，在轻负载时，输出电压会因寄生电容而趋于上升，终可能会失控；相移控制可以帮助调节该状态下的输出电压。控制器的计算结果决定转换器是否需要进入相移模式。

　　图5不同充电状态下的控制方案。请注意，启动期间电池电压较低，因此转换器需要以低充电电流软启动，以限制高电流尖峰并延长电池寿命。资料来源：德州仪器

　　图 6显示了频率和相移之间的调制切换。当负载减少时，频率会增加以调节输出电压。如果计算出的频率高于设定值，转换器将进入相移调制；那么当负载增加时，相移角会减小，以调节输出电压。当相移角减小到零时，转换器将再次进入频率模式。
　　图 6频率和相移模式之间的控制方案。当负载减小且相移角为零时，频率将增加以调节输出电压（频率模式）。如果频率高于设定值，则减小相移角以调节输出电压（相移模式）。资料来源：德州仪器
　　寄生电容引起的问题

　　MOSFET 的 C oss在相移模式下也有这种效果；储能电流将随着这些电容器而振荡，如图7所示。

　　图7开环移相模式下槽路电流波形。资料来源：德州仪器

　　图 8绘制了考虑和不考虑 MOSFET C oss的 CLLLC 转换器的增益比较。从图中可以看出，增益曲线会出现波动。在这种情况下，控制器可能会在闭环控制下将相移角调整到错误的方向，从而导致较大的电流尖峰。

　　图8有和没有C OSS 的相移模式下的增益曲线。资料来源：德州仪器
　　增益问题的解决方案

　　为了消除增益的非单调性，采用如图 9所示的 SR 控制可以解决此问题。在槽路电流振荡期间同时打开两个上或两个下SR开关将暂时短路变压器的次级侧绕组，使得C oss不会涉及谐振。

　　图 9提出的 SR 控制方案以消除增益的非单调性。资料来源：德州仪器

　　图10为测试结果；与图8相比没有出现振荡。
　　图 10使用所提出的控制方案的相移模式下的增益曲线（灰线）。资料来源：德州仪器
　　实验结果

　　原型[3]使用这种控制方案来验证性能。图 11显示了软启动波形，图 12显示了采用所提出的控制方案的相移模式下的储能电流波形。

　　图 11输出功率为 750 W 的相移软启动。资料来源：德州仪器

　　图 12采用所提出方案的相移模式下的储能电流波形。资料来源：德州仪器

　　图 13和图 14显示了频移/相移调制开关测试。从测试波形来看，输出功率为750W时，启动电流限制在28A以内。槽路电流无振荡，变换器可以在不同的工况下平滑地改变调制方式。

　　图13相移和频率调制开关：具有 5A 负载的频率模式。资料来源：德州仪器
　　图14相移和频率调制开关：具有 1A 负载的相移模式。资料来源：德州仪器
　　结论
　　所提出的频率和相移混合控制方案限制了启动阶段的浪涌电流，并使增益在轻负载条件下呈线性。该变换器可以在调频和相移调制之间平滑切换。此外，相移控制还引入了非单调增益问题，使得在具有大C OSS 的设计中电流振荡。所提出的SR控制方法可以帮助解决电流振荡问题并使增益单调。