迟 震，王丽媛

（1.中天海洋系统有限公司，江苏 南通 226010；2.中天科技海缆股份有限公司，江苏 南通 226010）

0 引 言

水下接驳装置在海洋科学科学研究、海洋资源开发及海洋灾害预警等领域中发挥着重要的作用，高压直流变换器是水下接驳装置中重要的电能转换设备。岸基侧高压输电到海底接驳盒，通过高压直流变换设备将岸基传输的高压电降压为低压，海底接驳盒内电源系统再进行二次降压，为海底设备提供可靠稳定的电能[1]。高压直流变换装置需要通过拓扑结构解决高电压输入问题，减小每个功率器件的电压应力[2-5]。文献[6]提出了一种模块化结构的多相多电平LLC谐振变换器，以3个模块化结构为例分析了变换器变频控制策略下的变换器的工作原理，通过基波分析法得到了变换器的等效电路模型，但未考虑到电容的均压控制。文献[7]提出了一种半桥型LLC变换器，通过基波分析法对半桥型LLC谐振变换器进行了稳态分析，给出了变换器谐振电容、谐振电感及励磁电感的设计方法。文献[8]提出了MMC控制系统中子模块控制器的设计方法，阐述了子模块控制器在MMC控制系统中的作用，着重从硬件角度介绍了保护和驱动功能并进行了验证。文献[9]对传统模块化多电平换流器建立了时域等效模型，提出了快速仿真算法，该算法对子模块进行近似处理，降低了模型矩阵规模，提升了仿真速度。

1 变换器拓扑及电路模型

1.1 变换器拓扑结构

模块化多电平LLC谐振变换器的拓扑结构如图1所示。其中，Cin为均压电容，上下桥臂各由N个子模块和一个桥臂电感Lr串联，Cr为变换器谐振电容，Lm为高频变压器励磁电感，D1～D4为整流二极管。

1.2 谐振单元及整流电路模型

模块化多电平拓扑采用阶梯波调制方式，可输出类似半桥拓扑输出的方波，因此可将模块化多电平拓扑可近似一个交变电源，简化后的谐振变换器等效电路模型如图2所示，Rco是输出电容Co的等效电阻，Rr是谐振电路的电感与电容的等效寄生电阻。忽略MMC单元的桥臂电压上升下降沿，施加在谐振腔输入端的电压Vin近似为赋值为Vg，占空比为50%的方波。

谐振变换器有两个谐振频率，可表示为

式中，Lr为谐振电感；Cr为谐振电容；fr为谐振电感Lr与谐振电容Cr的谐振频率；Lm为变压器励磁电感；fm为谐振电感Lr、励磁电感Lm的和与谐振电容Cr的谐振频率。

2 变换器设计

2.1 变换器谐振单元设计

采用基波近似法得到的谐振腔等效电路如图3所示。

图中桥臂电感和变压器漏感共同组成谐振电感Lr即

式中，Lleg为桥臂电感；Lk为变压器漏感。

Req为负载折算到变压器原边的等效电阻，表示为：

式中，Ro为负载电阻；Vo为输出电压；Po为输出功率。从上式可看出，等效电阻与负载有关，因此不同负载下，谐振网络增益也有变化。

考虑到功率器件的开关损耗和变压器体积等因素，设定变换器谐振频率为10 kHz。此时，谐振电感Lr和谐振电容Cr满足以下关系：

品质因数Q和电感比λ表达式为

从式6-7中，可以发现谐振电感Lr、谐振电容Cr和励磁电感Lm的关系被谐振频率fr、品质因数Q和电感比λ所制约，归一化方波频率fn、品质因数Q和电感比λ作为变量，谐振网络直流增益M与三者关系表示为

电感比λ不变时，直流增益随着品质因数Q增大而减小。品质因数Q不变时，直流增益随着电感比λ增大而增大。变压器励磁电感Lm的选取一方面取决于励磁电流大小，另一方面合适的励磁电感可让桥臂子模块开关管实现一定的软开关，从而降低开关损耗，取励磁电感Lm=10 mH。

谐振电容和谐振电感满足式（6），当励磁电感一定时，改变谐振电容，谐振电压也会发生变化，谐振电压随谐振电容增大而减小。谐振电感一定时，变换器直流增益范围随谐振电容增大而减小。根据系统对增益的需求，结合上述谐振电容、谐振电感对变换器直流谐振增益的影响，选取谐振电感Lr= 844 μH，谐振电容Cr= 300 nF。

2.2 谐振单元控制器设计

图4为LLC单元闭环控制结构图，其中Gc为需要设计的补偿环节，Gvco为PFM产生器的频域模型，Gvw为上述频率到输出的传递函数，H为采样环节。

代入系统参数后，LLC系统开环本身是稳定的，但直流增益较小，为了获得更好的动态和稳态特性，需要对该电路进行环路补偿。通常要求补偿后的开环伯德图的幅值穿越频率小于谐振频率的1/10。采用PI补偿器，为了满足穿越频率wc和整个系统低频段的增益要求，比例系数应该选取一个合适的值。补偿后的系统开环波特图如图5所示。

3 变换器仿真及实验验证

为了验证变换器参数设计和控制器设计，搭建了变换器电路及控制器模型。仿真模拟了输入电压10 kV下，0.05 s时变换器从半载到满载切换，输出电压和输出电流的动态响应如图6所示。变换器实际半载到满载测试如图7所示。从仿真结果可以看出，变换器从半载到满载切换过程中，输出电压瞬态变化10 V左右，10 ms后输出电压稳定，稳定后的电压纹波3 V以内，变换器的动态响应和稳态误差符合变换器设计要求。

4 结 论

为了解决高压直流变换器的高电压输入、输入输出电压变比大的问题，设计了一种模块化多电平LLC谐振变换器拓扑，介绍了变换器的工作原理和电路模型，对变换器进行了模型搭建和电路仿真，最后进行了样机测试，实测和仿真结果表明，模块化多电平LLC谐振变换器可以有效解决变换器高电压输入问题，变换器动态响应快，输出电压稳态误差小，输出电压纹波小。