一種三電平組合式LLC諧振變換器

南昌航空大學(xué) 周 鎮(zhèn)

針對(duì)直流變壓器現(xiàn)有電磁干擾性能差、磁元件和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜等問(wèn)題，提出一種三電平組合式LLC拓?fù)?，此拓?fù)渚哂须妷旱燃?jí)高、功率密度高及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能很大程度上提高諧振變換器工作性能。本文首先對(duì)所提出的LLC諧振變換器的工作原理、電壓增益和軟開(kāi)關(guān)操作進(jìn)行了全面分析，同時(shí)提出了一種適用于三電平組合式LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)討論了勵(lì)磁電感的設(shè)計(jì)考慮。通過(guò)采用所提出的設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)初級(jí)開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)操作和次級(jí)整流器的零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)操作。最后，搭建了一個(gè)500W的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)驗(yàn)證理論分析。

隨著電動(dòng)汽車充電以及新能源發(fā)電等領(lǐng)域?qū)Ω吣芰棵芏热找嬖鲩L(zhǎng)的需求，具有軟開(kāi)關(guān)功能和高頻特性的諧振變換器引起了各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。LLC諧振變換器以其高效率、零電壓開(kāi)關(guān)和高功率密度等特點(diǎn)受到廣泛應(yīng)用。然而，LLC諧振變換器在大電流應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)，較大的諧振電流對(duì)變換器極其不利，且整流側(cè)二極管反向恢復(fù)將導(dǎo)致電壓尖峰大等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者就此問(wèn)題展開(kāi)了相關(guān)研究，以期改善LLC諧振變換器在大電流應(yīng)用場(chǎng)合下的工作性能。有關(guān)文獻(xiàn)中研究了一種使用全橋拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，考察了拓?fù)涞目刂撇呗院土汶妷洪_(kāi)關(guān)(ZVS)，可以減少電磁干擾污染，提高轉(zhuǎn)換器的可靠性。有關(guān)文獻(xiàn)分析了三電平半橋DC-DC變換器的性能，并提出改進(jìn)控制策略用于縮小開(kāi)關(guān)頻率范圍，然而低電壓輸入時(shí)的效率低，并且諧振元件的應(yīng)力大。

鑒于上述問(wèn)題，本文提出了一種三電平組合式LLC諧振變換器拓?fù)洳?duì)其工作原理進(jìn)行了分析，更進(jìn)一步研究了電壓增益特性。該拓?fù)浣Y(jié)合了全橋拓?fù)渑c多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，且組合式結(jié)構(gòu)能緩解單個(gè)諧振腔的負(fù)擔(dān)，從而減小磁性元器件體積，進(jìn)一步提高了能量密度。最后，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了其可行性和合理性。

1 三電平組合式LLC諧振變換器

三電平組合式LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，高壓側(cè)采用全橋三電平拓?fù)洹⒌蛪簜?cè)采用組合式整流拓?fù)?，與中間級(jí)采用組合式LLC對(duì)稱設(shè)計(jì)。

1.1 工作模態(tài)分析

圖2為三電平組合式LLC主要的理論工作波形，以下對(duì)前半周期的工作原理進(jìn)行分析。

圖1 三電平組合式LLC拓?fù)?/p>

電路工作過(guò)程具體描述如下：

模態(tài)1 [t0-t1]：t0時(shí)刻，Q1、Q2、Q5導(dǎo)通，高壓側(cè)諧振電流iLr1、iLr2經(jīng)其體二極管續(xù)流，兩端電壓為0，實(shí)現(xiàn)ZVS，iLr減小至0，高壓側(cè)勵(lì)磁電流iLm開(kāi)始線性減小，低壓側(cè)諧振電流is從零按照正弦規(guī)律變化，副邊二極管實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通。

模態(tài)2 [t1-t2]：t1時(shí)刻，高壓側(cè)諧振電流iLr換向至正方向，iLr、is繼續(xù)以正弦規(guī)律增大，低壓側(cè)電壓鉗位變壓器勵(lì)磁電感，高壓側(cè)勵(lì)磁電流iLm線性增大。

模態(tài)3 [t2-t3]：t2時(shí)刻，Q1關(guān)斷，iQ1給Q1的結(jié)電容C1充電，iQ1電流值較小，Q1可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)，電路其它狀態(tài)與模態(tài)2相同。

模態(tài)4 [t3-t4]：t3時(shí)刻，諧振電流iLr等于勵(lì)磁電流iLm，副邊二極管電流下降為零，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。此時(shí)勵(lì)磁電感Lm不被輸出電壓鉗位，諧振電容、諧振電感和勵(lì)磁電感發(fā)生串聯(lián)諧振，由于勵(lì)磁電感感抗大于諧振電感，因此諧振電流在此階段近似保持不變。

圖2 三電平組合式LLC工作波形圖

1.2 變換器增益特性分析

理想情況下，組合式對(duì)稱諧振腔參數(shù)完全一致，因此可將兩個(gè)諧振腔等效為一個(gè)諧振腔來(lái)分析，在基波分析法假設(shè)條件下，對(duì)單諧振腔基波等效電路分析可得電路的增益G為：

對(duì)式（1）進(jìn)行分析計(jì)算并繪制圖像，得到在Q=0.15時(shí)，增益G隨參數(shù)k變化曲線如圖3所示。分析圖3可知，k值越大，直流增益G的歸一化度越低，但更容易利用諧振變換器的漏感作為諧振電感。綜上分析可知，較大的k值和合適的Q值是必須的。

2 變換器諧振參數(shù)計(jì)算分析

變換器的工作性能非常依賴于諧振參數(shù)的設(shè)計(jì)，而變換器的性能主要體現(xiàn)于正常運(yùn)行下的電流回路損耗與軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。由圖1中的諧振電流iLr和勵(lì)磁電流iLm波形可得高壓側(cè)諧振電流有效值為：

由式（2）可知，勵(lì)磁電感Lm的選取對(duì)電流回路損耗影響較大，Lm應(yīng)在滿足諧振變換器工作條件下取大值。

為實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，應(yīng)保證LLC諧振轉(zhuǎn)換器的軟開(kāi)關(guān)操作，因此有必要使用三電平組合式LLC諧振變換器的軟開(kāi)關(guān)操作。等效單諧振腔原邊要實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，即要使得勵(lì)磁電流峰值ipk在死區(qū)內(nèi)，能讓對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管充放電完全，其關(guān)系式為：

式（3）中，Vin為輸入電源電壓，Cx為開(kāi)關(guān)管的DS結(jié)電容，td為死區(qū)時(shí)間。

綜合上述分析可知，勵(lì)磁電感Lm的選取同時(shí)影響諧振變換器的電流回路損耗以及軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，且二者關(guān)系矛盾。故折中處理選取Lm為：

圖3 直流增益G隨ωn變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在這一部分，搭建了一個(gè)500W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)來(lái)驗(yàn)證理論分析。主功率MOSFET采用IPW65R080CFD，開(kāi)關(guān)頻率98kHz，諧振電感Lr1/Lr212uH，諧振電容Cr220nF，勵(lì)磁電感Lm1/Lm280uH，二極管采用C4D05120E。

圖4為三電平組合式LLC諧振變換器開(kāi)關(guān)頻率為80kHz時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形圖。圖4(a)示出了諧振電感器電流iLr1與iLr2以及Q1開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓波形，圖4(b)示出了次級(jí)側(cè)電流is和輸出電壓Vo的實(shí)驗(yàn)波形。從諧振電感電流波形可以看出，諧振電感電流iLr滯后于諧振電壓VAB，因此實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)的ZVS操作。同時(shí)，iLr1與iLr2近似相等，組合式諧振腔實(shí)現(xiàn)了良好的均流效果。此外，在整流器的相應(yīng)關(guān)斷信號(hào)到來(lái)之前，次級(jí)側(cè)電流is減小到零，因此次級(jí)整流器沒(méi)有反向恢復(fù)問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)了ZCS操作，且輸出電壓穩(wěn)定。

圖4 三電平組合式LLC實(shí)驗(yàn)波形

結(jié)論：傳統(tǒng)的LLC諧振變換器采用頻率控制或相移控制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，其開(kāi)關(guān)頻率工作范圍寬、電磁干擾性能差、磁元件和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜。本文提出的三電平組合式LLC諧振變換器可以解決上述問(wèn)題。本文對(duì)三電平組合式LLC諧振變換器進(jìn)行了分析，包括系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行分析、電壓增益和軟開(kāi)關(guān)操作，在此基礎(chǔ)上提出了三電平組合式LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)采用所提出的方法，可以分別實(shí)現(xiàn)初級(jí)開(kāi)關(guān)和次級(jí)整流器的ZVS操作和零電流操作以及通過(guò)組合式分流實(shí)現(xiàn)功率提升。最后，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的有效性與實(shí)用性。