基于半橋三電平LLC諧振變換器的混合控制策略研究

摘" 要： 半橋三電平LLC諧振變換器具有體積小、開關(guān)器件少、開關(guān)器件耐壓高等優(yōu)勢(shì)，已逐漸應(yīng)用于直流充電模塊后級(jí)為動(dòng)力電池充電。針對(duì)傳統(tǒng)變頻調(diào)制（PFM）策略與移相調(diào)制（PSM）策略無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬輸出電壓范圍的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出一種寬增益范圍的移相?變頻（PSM?PFM）混合控制策略。通過(guò)搭建一臺(tái)功率為600 W、輸出電壓為20～60 V的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提控制策略相比單一調(diào)制策略具有更寬的增益，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)寬輸出電壓范圍，能夠?yàn)閯?dòng)力電池提供穩(wěn)定、寬范圍且可調(diào)的充電電壓，并實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓開通。

關(guān)鍵詞： LLC諧振變換器； 變頻調(diào)制； 移相調(diào)制； 混合控制； 零電壓開關(guān)； 寬輸出電壓

中圖分類號(hào)： TN624?34" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2025）02?0001?08

Research on hybrid control strategy based on half?bridge three?level

LLC resonant converter

WANG Junrui， ZHAO Dongqi， CHEN Jianfei， QIN Hao

（College of Electrical and Information Engineering， North Minzu University， Yinchuan 750000， China）

Abstract： The half?bridge three?level LLC resonant converter has the advantages of small size， few switching devices， and high voltage resistance of switching devices. It has gradually been applied in the rear stage of DC charging modules to charge power batteries. In allusion to the problem that traditional pulse frequency modulation （PFM） strategy and phase?shift modulation （PSM） strategy cannot achieve a wide output voltage range， a wide gain range phase?shift frequency modulation （PSM?PFM） hybrid control strategy is proposed. A 600 W experimental prototype with output voltage of 20～60 V was built for the verification. The experimental results show that， in comparison with the single modulation strategy， the proposed control strategy has wider gain and can achieve a wide output voltage range， which can provide a stable， wide range and adjustable charging voltage for the power battery and realize zero?voltage turn?on of the switch tube.

Keywords： LLC resonant converter; frequency conversion modulation; phase?shift modulation; hybrid control; zero?voltage switch; wide output voltage

0" 引" 言

隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，新能源汽車成為全球研究熱點(diǎn)[1]，在大力推進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，充電樁的發(fā)展也受到關(guān)注。LLC隔離型拓?fù)鋵?duì)比其他拓?fù)渚哂懈吖β拭芏?、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟開關(guān)特性好等優(yōu)勢(shì)[2]，已廣泛應(yīng)用于直流充電模塊后級(jí)。

LLC具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[3]中將基于最高效率相平面軌跡的新型Burst控制引入兩電平變結(jié)構(gòu)LLC拓?fù)渲校诘蛪簳r(shí)可有效提高工作效率并實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switch， ZVS）。文獻(xiàn)[4]中將PWM控制引入雙向LLC拓?fù)渲?，利用一次?cè)全橋與半橋之間的切換配合，使系統(tǒng)電壓增益提高4倍。文獻(xiàn)[5]中采用不對(duì)稱LLC拓?fù)?，利用兩個(gè)諧振腔相互作用在不同工作模式下獲得高電壓增益，但電壓增益依賴電壓模式的選擇，關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]在固定頻率的Burst控制模式下引入變PWM控制，使系統(tǒng)在獲得寬電壓輸出范圍的同時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS。文獻(xiàn)[7]中提出了一種可控諧振電感的半橋LLC拓?fù)?，可根?jù)輸出電流調(diào)節(jié)諧振電感量進(jìn)而影響諧振腔參數(shù)。該拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性能好，但需額外引入磁調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。對(duì)于三電平LLC拓?fù)?，?nèi)管的關(guān)斷晚于外管，因此內(nèi)管關(guān)斷時(shí)諧振腔電流小于外管，導(dǎo)致內(nèi)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件比外管更加苛刻[8]，低壓輸出時(shí)存在外管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）但內(nèi)管無(wú)法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象。

綜上，為進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用于充電模塊后級(jí)的LLC拓?fù)涞脑鲆娣秶?，本文基于半橋三電平LLC諧振變換器，分析單一調(diào)制策略的局限性并選擇混合控制切換點(diǎn)，在低壓輸出時(shí)使用PSM調(diào)制策略，在高壓輸出時(shí)采用PFM調(diào)制策略，從而實(shí)現(xiàn)PSM?PFM混合控制，使系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)內(nèi)管ZVS的同時(shí)為動(dòng)力電池提供穩(wěn)定、連續(xù)且可調(diào)的直流充電電壓。

1" 半橋三電平LLC諧振變換器的工作原理

1.1" 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

半橋三電平LLC諧振變換器拓?fù)淇煞殖扇齻€(gè)部分，如圖1所示。該拓?fù)錇榛旌香Q位型拓?fù)?，相比只有鉗位二極管或飛跨電容型拓?fù)洌菀讓?shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓自動(dòng)均衡[9]。圖中：[Ui]為前級(jí)輸入穩(wěn)定直流母線電壓；[C1]、[C2]為直流母線電容；[D11]、[D12]為鉗位二極管，[CS]為飛跨電容，它們共同實(shí)現(xiàn)混合鉗位；[Q1]～[Q4]為原邊開關(guān)管，其中[Q2]與[Q3]為內(nèi)管，實(shí)現(xiàn)ZVS條件較為苛刻；[Lr]、[Lm]、[Cr]分別為諧振電感、勵(lì)磁電感、諧振電容，它們共同組成諧振腔；[T]為高頻變壓器，實(shí)現(xiàn)原邊與副邊的電氣隔離；[D21]～[D24]為副邊整流二極管；[Co]為輸出濾波電容；[RL]為負(fù)載電阻。

變換器通過(guò)使用PFM、PSM調(diào)制策略，分為不同的工作模式，為簡(jiǎn)化分析兩種模式下變換器的工作原理，假設(shè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中[C1≡C2]，整流網(wǎng)絡(luò)中忽略[D21]～[D24]開關(guān)損耗，且[Co]足夠大。

1.2" PFM工作原理

LLC根據(jù)開關(guān)頻率與諧振頻率的大小，可分為三塊工作區(qū)間與一個(gè)特殊工作點(diǎn)。當(dāng)LLC處于PFM工作模式時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率控制輸出電壓，其中開關(guān)管[Q1]、[Q4]和[Q2]、[Q3]互補(bǔ)導(dǎo)通。設(shè)系統(tǒng)工作頻率為[fr]，[Lr]、[Cr]諧振頻率為兩元件諧振頻率[fr1]，其表達(dá)式為：

[fr1=12πLr?Cr]" " " " " " " "（1）

[Lr]、[Lm]、[Cr]共同諧振頻率為三元件諧振頻率[fr2]，其表達(dá)式為：

[fr2=12π（Lr+Lm）?Cr] （2）

當(dāng)電路設(shè)計(jì)完畢時(shí)，[fr1]、[fr2]為固定值，由此可知三塊工作區(qū)間分別為容性工作區(qū)（[frlt;fr2]）、次諧振工作區(qū)（[fr2lt;frlt;fr1]）與超諧振工作區(qū)（[frgt;fr1]），其中當(dāng)[fr=fr1]時(shí)系統(tǒng)處于諧振頻率點(diǎn)。當(dāng)LLC處于容性工作區(qū)時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS且超諧振工作區(qū)副邊二極管會(huì)出現(xiàn)零電流關(guān)斷，存在反向恢復(fù)損耗的現(xiàn)象[10]，故本文著重對(duì)LLC在次諧振工作區(qū)的工作原理進(jìn)行分析。次諧振工作區(qū)主要波形如圖2所示。

圖2中：[Qg1]～[Qg4]為驅(qū)動(dòng)信號(hào)；[ir]、[im]為流過(guò)諧振電感與勵(lì)磁電感的電流值；[iD21]～[iD24]為副邊二極管電流。變換器一個(gè)周期有8種工作模態(tài)，由于前后半周期諧振狀態(tài)相同，因此本節(jié)僅分析前半個(gè)周期。

模態(tài)1：工作階段（[t0]～[t1]）。[t0]時(shí)刻[Q1]與[Q2]同時(shí)導(dǎo)通，由于此時(shí)[D21]和[D24]已導(dǎo)通，電壓將[Lm]鉗位不參與諧振。此時(shí)[Lr]和[Cr]參與諧振，諧振電流流過(guò)[Q1]、[Q2]、[Lr]、[Cr]與[C1]，[im]線性上升。

模態(tài)2：工作階段（[t1]～[t2]）。[t1]時(shí)刻[ir]等于[im]，此時(shí)[D21]和[D24]零電流關(guān)斷。此時(shí)原邊進(jìn)入無(wú)功環(huán)流階段，[Lm]不再鉗位，與[Lr]、[Cr]一起諧振。由于[Lm]一般是[Lr]的5～7倍，流過(guò)諧振電感的電流[ir]可近似認(rèn)為不變。

模態(tài)3：工作階段（[t2]～[t3]）。[t2]時(shí)刻[Q1]關(guān)斷，[ir]將給[Q1]的寄生電容充電為0.5[Ui]，同時(shí)[ir]通過(guò)[CS]將[Q4]的寄生電容電壓放電為0，為[Q4]的ZVS做準(zhǔn)備。最終，上鉗位二極管[D11]將[Q1]電壓鉗位為0.5[Ui]，此時(shí)諧振電流[ir]流過(guò)的回路為[D11]、[Q2]、[Lr]、[Lm]和[Cr]。

模態(tài)4：工作階段（[t3]～[t4]）。[t3]時(shí)[Q2]關(guān)斷，[ir]將[Q2]寄生電容充電為0.5[Ui]。同時(shí)，[ir]將[Q3]寄生電容放電為0，為[Q3]的ZVS創(chuàng)造條件。最終，[ir]流經(jīng)[D24]、[D23]、[Lr]、[Lm]和[Cr]。[Q2]關(guān)斷后副邊側(cè)二極管[D22]、[D23]導(dǎo)通，[Lm]反向鉗位，[im]開始線性下降。[t4]時(shí)刻[Q3]和[Q4]同時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS。相比于次諧振工作區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)處于諧振頻率點(diǎn)時(shí)變換器效率最高[11]，其主要波形如圖3所示。

當(dāng)處于諧振頻率點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)工作頻率[fr]等于兩元件諧振頻率[fr1]，此時(shí)電路內(nèi)[Lm]被鉗位不參與諧振，[Lr]和[Cr]參與諧振。這時(shí)諧振電流[ir]近似為正弦波，勵(lì)磁電流[im]近似為三角波，副邊二極管電流[iD22]、[iD23]恰好在[ir=im]時(shí)降為0，因此在諧振頻率點(diǎn)時(shí)副邊二極管可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，同時(shí)原邊開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通，系統(tǒng)損耗最小[12]。

1.3" PSM工作原理

當(dāng)LLC處于移相調(diào)制模式時(shí)，系統(tǒng)工作頻率[fr]恒等于兩元件諧振頻率[fr1]，開關(guān)管[Q1]、[Q4]和[Q2]、[Q3]互補(bǔ)導(dǎo)通。此時(shí)輸出電壓僅隨有效占空比D的改變而變化，PSM模式主要工作波形如圖4所示。由于前后半周期諧振狀態(tài)相同，因此本節(jié)分析前半個(gè)周期。

在[t0]之前[Q1]、[Q3]導(dǎo)通，[Q2]、[Q4]關(guān)斷，此時(shí)[Lm]不再鉗位，與[Lr]、[Cr]一起諧振。

模態(tài)1：工作階段（[t0]～[t1]）。[t0]時(shí)刻[Q3]關(guān)斷，此時(shí)[ir]對(duì)[Q3]寄生電容充電并對(duì)[Q2]寄生電容放電，[Lm]不再鉗位，與[Lr]、[Cr]一起諧振。

模態(tài)2：工作階段（[t1]～[t2]）。[t1]時(shí)刻[Q3]寄生電容電壓充電至0.5[Ui]，此時(shí)下鉗位二極管[D12]導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)鉗位，同時(shí)[Q2]寄生電容電壓放電為0，因此在[t1]時(shí)刻[Q2]實(shí)現(xiàn)零電壓開通。本階段僅有[Lr]、[Cr]一起諧振，[ir]正弦變化，[im]線性上升，副邊[D21]和[D24]導(dǎo)通。

模態(tài)3：工作階段（[t2]～[t3]）。[t2]時(shí)刻[Q1]關(guān)斷，[ir]將給[Q1]的寄生電容充電至0.5[Ui]；之后[ir]通過(guò)[CS]將[Q4]的寄生電容電壓放電至0，同時(shí)[Q4]因?yàn)閇D21]的關(guān)斷不再被鉗位，本階段僅有[Lr]、[Cr]一起諧振。

模態(tài)4：工作階段（[t3]～[t4]）。[t3]時(shí)[Q1]的寄生電容到達(dá)0.5[Ui]，上鉗位二極管[D11]導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)鉗位。此時(shí)[Q4]的寄生電容電壓放電到達(dá)0，實(shí)現(xiàn)零電壓開通，該階段僅有[Lr]、[Cr]一起諧振。

模態(tài)5：工作階段（[t4]～[t5]）。在本階段[ir=im]，副邊二極管[D21]和[D24]實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。此時(shí)[Lm]不再鉗位，與[Lr]、[Cr]一起諧振。

2" PFM與PSM增益特性分析

進(jìn)行電壓增益分析時(shí)，需要簡(jiǎn)化電路模型。由于LLC為非線性電路，需要將電路進(jìn)行化簡(jiǎn)，變換為線性電路進(jìn)行分析，但諧振腔對(duì)LLC變換器增益特性有很大影響，故化簡(jiǎn)時(shí)應(yīng)保留[13]。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，將采用基波分析（Fundamental Harmonic Approximation， FHA）方法（即只考慮基波分量而將高次諧波分量忽略）簡(jiǎn)化模型，以逆變輸出電壓[UMN]作為模型輸入，保留諧振腔部分，為方便分析，設(shè)[UT]為變壓器原邊等效電壓，[Req]為副邊等效電阻折算到原邊的等效電阻。

由前文分析可知，當(dāng)[Q1]、[Q2]導(dǎo)通時(shí)[UMN=0.5Ui]，當(dāng)[Q3]、[Q4]導(dǎo)通時(shí)[UMN=-0.5Ui]，因此[UMN]在一個(gè)周期為幅值[±0.5Ui]的交流方波，經(jīng)傅里葉展開后可得基波分量為：

[UMN1=2πUisin（2πfrt）=2UMNrmssin（2πfrt）] （3）

變壓器副邊電流[iT]的基波分量為：

[iT1=2iT1rmssin（2πfrt-φ）]" " （4）

式中[φ]為[UMN]與[iT]的相位差。

變壓器副邊電壓[US]的基波分量為：

[US1=4πUosin（2πfrt-φ）]" "（5）

結(jié)合式（5）可得副邊等效電阻[Req1]與折算的原邊等效電阻[Req]為：

[Req1=8RLπ2Req=8n2RLπ2]" " " （6）

式中[n]為變壓器變比。

變壓器原邊等效電壓[UT]基波分量為：

[UT1=4nπUosin（2πfrt-φ）]" " （7）

結(jié)合式（7）可得LLC化簡(jiǎn)模型，如圖5所示。

lt;E：＼未做件＼現(xiàn)代電子技術(shù)202502＼Image＼09T5.tifgt;

圖5" LLC化簡(jiǎn)模型圖

2.1" PFM增益特性分析

由圖5可得輸入阻抗的復(fù)頻域表達(dá)式為：

[Zin（jωs）=jωsLr+1jωsCr+（jωsLm//Req）] （8）

由式（8）可推出在PFM控制下的傳遞函數(shù)為：

[H（jωs）=jωsLm//ReqjωsLr+1jωsCr+（jωsLm//Req）] （9）

又因該模型輸出電壓與輸入電壓比值為[H（jωs）]，若定義增益比[M]，則可以整理為：

[M=UTrmsUMNrms=1（1+k-kf2n）2+Q2（fn-1f2n）2] （10）

式中：[k=LrLm]為電感系數(shù)；[fn=frfr1]為歸一化諧振頻率；[Q=LrCrR2eq]為品質(zhì)因數(shù)。

由式（10）可繪制出[M]與[fn]在給定[k=0.182]下不同[Q]值的增益曲線，如圖6所示。由圖6可知增益存在最大值，最大值點(diǎn)[fr=fr2]，在最大值點(diǎn)左側(cè)系統(tǒng)呈容性，開關(guān)管無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZVS；圖中高亮點(diǎn)[fn]為1，[fr=fr1]，此時(shí)該點(diǎn)負(fù)載變化不會(huì)影響勵(lì)磁電流，副邊二極管在該點(diǎn)右側(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZCS。從圖中可看出，當(dāng)[Q]增大時(shí)，同一[fn]下的[M]會(huì)隨之減小，導(dǎo)致增益范圍變窄，因此過(guò)大的[Q]值會(huì)導(dǎo)致輸出電壓無(wú)法達(dá)到目標(biāo)值。綜上，應(yīng)在實(shí)現(xiàn)原邊ZVS以及副邊ZCS的前提下選擇合理[Q]值，以減小系統(tǒng)損耗，本文選擇[Q]=0.32，如黑色加粗曲線所示。

同理可由式（10）繪制出[M]與[fn]在[Q]=0.32時(shí)不同[k]值增益曲線，如圖7所示。

由圖7可知：[k]增大時(shí)[M]隨之增大，使增益范圍變寬；但[k]值減小時(shí)[im]增大，[T]原邊電流減小，電路損耗也隨之減小，因此系統(tǒng)效率提高。綜上所述，[k]值大小需根據(jù)實(shí)際要求選取，本文選取[k=0.182]，如黑色加粗曲線所示。

2.2" PSM增益特性分析

結(jié)合1.3節(jié)分析，開關(guān)管[Q1]與[Q4]以及[Q2]與[Q3]互補(bǔ)導(dǎo)通，且[Q2]與[Q3]分別滯后[Q1]與[Q4]一定的角度。若忽略死區(qū)時(shí)間，[UMN]經(jīng)FHA的基波分量可表示為：

[UMN1=Uiπcosπ（1-D）2-cosπ（1+D）2sin（2πfst）] （11）

PSM與PFM均采用FHA，故增益分析模式與PFM相差無(wú)二，最終可整理為：

[MPSM=sinπD2]" " "（12）

由式（12）可以看出，移相控制模式下電壓增益[MPSM]的大小與有效占空比[D]呈正相關(guān)，且當(dāng)占空比為1時(shí)，增益大小為[M]，此時(shí)[fr=fr1]。隨著占空比[D]的減小，電壓增益[MPSM]降低，此時(shí)變換器處于降壓模式，繪制的增益曲線如圖8所示。

3" 單一調(diào)制策略的局限性分析

由PSM調(diào)制策略與PFM調(diào)制策略的增益特性可知，它們都有各自的局限性。其中結(jié)合圖6與圖7的黑色加粗曲線可知，PFM調(diào)制策略的最大增益[Mmax]為1.59，歸一化頻率[fn]為0.44。由1.2節(jié)分析可知，此時(shí)系統(tǒng)工作頻率[fr]等于三元件諧振頻率[fr2]，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率小于三元件諧振頻率時(shí)系統(tǒng)增益開始下降，理論上PFM可以實(shí)現(xiàn)降壓調(diào)節(jié)，但[frlt;fr2]時(shí)系統(tǒng)處于容性工作區(qū)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)開關(guān)管ZVS，同時(shí)在[fn=1]的右側(cè)可以通過(guò)提高工作頻率實(shí)現(xiàn)降壓調(diào)節(jié)，但增益調(diào)節(jié)范圍較窄且受開關(guān)器件最大工作頻率限制。結(jié)合圖8可知，通過(guò)PSM調(diào)制策略可以很好地實(shí)現(xiàn)0～1增益范圍的調(diào)節(jié)，但無(wú)法像PFM調(diào)制策略一樣實(shí)現(xiàn)升壓調(diào)節(jié)，可見兩種調(diào)制策略均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

使用直流充電模塊后級(jí)系統(tǒng)所充電的動(dòng)力電池規(guī)格是不一樣的，需要后級(jí)系統(tǒng)提供較寬且可調(diào)的直流充電電壓。寬輸出電壓LLC關(guān)鍵參數(shù)如表1所示，此時(shí)單獨(dú)用其中一種調(diào)制策略很難滿足充電需求。

本文基于此，將兩種調(diào)制策略的優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)合，提出PSM與PFM兩段式混合控制策略。選擇合理的輸出電壓作為增益切換點(diǎn)，此切換點(diǎn)[fn=1]且增益[M=1]，通過(guò)增益切換點(diǎn)將輸出電壓范圍分為升壓與降壓兩個(gè)區(qū)域。在增益切換點(diǎn)以下的電壓范圍，利用PSM調(diào)制策略的增益特性進(jìn)行降壓調(diào)節(jié)，結(jié)合1.3節(jié)介紹，此時(shí)系統(tǒng)工作頻率[fr]等于兩元件諧振頻率[fr1]，僅通過(guò)改變有效占空比D調(diào)節(jié)輸出電壓；在增益切換點(diǎn)以上的電壓范圍，利用PFM調(diào)制策略的增益特性進(jìn)行升壓調(diào)節(jié)，結(jié)合1.2節(jié)介紹，此時(shí)系統(tǒng)工作頻率[fr]在三元件諧振頻率[fr2]與兩元件諧振頻率[fr1]之間，同時(shí)應(yīng)保持有效占空比D為1，僅通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率調(diào)節(jié)輸出電壓。綜上可得到PSM?PFM混合控制的增益曲線，有效增益區(qū)間由黑色加粗曲線表示，如圖9所示。

由圖9可以清楚地觀察到，當(dāng)[k=0.182]且[Q]=0.32時(shí)，混合控制增益范圍為0.32～1.59，與單種調(diào)制策略對(duì)比增益區(qū)間變寬，可以獲得更好的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍。但需要注意的是，實(shí)際中一般不將最大增益點(diǎn)[Mmax]作為輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的增益上限值，需要留有部分裕量，最小增益點(diǎn)同理。

4" 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證LLC變換器在PSM與PFM混合控制的正確性，搭建一臺(tái)600 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

LLC諧振變換器的增益曲線如圖10所示，由兩部分增益曲線組成，其中黑色加粗曲線為有效增益區(qū)間。由圖10可知，LLC系統(tǒng)增益區(qū)間為0.5～1.5，系統(tǒng)在PSM工作模式的增益區(qū)間為0.5～1.0，在PFM工作模式的增益區(qū)間為1.0～1.5。

為驗(yàn)證后級(jí)系統(tǒng)在PSM與PFM混合控制下的正確性，設(shè)定輸入電壓[Ui=50 V]，此時(shí)工作在PFM模式下，增益為1.25，輸出電壓指令[Uoref=50 V]，負(fù)載[RL=20] Ω，此時(shí)以內(nèi)開關(guān)管[Q2]為例，系統(tǒng)工作在PFM模式下的輸出電壓波形與主要工作波形如圖11、圖12所示。

由圖11可知，此時(shí)輸出電壓[Uo=49.3 V]，[Po_LLC=121.6 W]，變換器效率為97.2%。由于輸入電壓[Ui=50 V]，內(nèi)開關(guān)管[Q2]此時(shí)承壓應(yīng)為25 V，由圖12可知，此時(shí)內(nèi)開關(guān)管[Q2]的漏源極電壓[Qds2=25" V]。在圖中不難看出，當(dāng)漏源極電壓降為0后，內(nèi)開關(guān)管[Q2]的驅(qū)動(dòng)電壓[Qg2]才上升，即在內(nèi)開關(guān)管[Q2]兩端電壓降為0后[Q2]導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了ZVS；同時(shí)系統(tǒng)處于次諧振工作區(qū)，開關(guān)頻率為24.8 kHz，其諧振電流波形與圖2一致。

設(shè)定輸出電壓指令[Uoref=40 V]，此時(shí)系統(tǒng)工作在PFM模式中的諧振頻率點(diǎn)下，諧振電流[ir]波形近似為正弦波，變換器工作效率最高，開關(guān)頻率為40 kHz，以內(nèi)開關(guān)管[Q2]為例，輸出電壓波形與主要工作波形如圖13、圖14所示。

由圖13可知，此時(shí)輸出電壓[Uo=39.8 V]，[Po_LLC=121.6 W]，變換器效率為99%。由圖14可知，內(nèi)開關(guān)管[Q2]可實(shí)現(xiàn)ZVS，諧振電流[ir]波形近似正弦波。

當(dāng)輸出電壓給定值[Uoref=39 V]時(shí)增益為0.975，變換器此時(shí)工作在PSM模式，系統(tǒng)開關(guān)頻率等于兩元件諧振頻率（[fr1=40 kHz]），輸出電壓波形與主要工作波形如圖15、圖16所示。由圖15可知，此時(shí)輸出電壓[Uo]為38.6 V，輸出功率[Po_LLC]為74.5 W，變換器效率為98%。由圖16可知，此時(shí)內(nèi)開關(guān)管[Q2]可以實(shí)現(xiàn)ZVS，同時(shí)有效占空比D=0.9。

當(dāng)輸出電壓給定值[Uoref=33 " V]時(shí)增益為0.83，輸出電壓波形與主要工作波形如圖17、圖18所示。由圖17可知，此時(shí)輸出電壓[Uo=32.4" V]，[Po_LLC=52.5" W]，變換器效率為96.4%。由圖18可知，此時(shí)內(nèi)開關(guān)管[Q2]可以實(shí)現(xiàn)ZVS，且有效占空比D=0.6。

由圖19可知，此時(shí)輸出電壓[Uo=22.5 V]，[Po_LLC=25.3 W]，變換器效率為95.7%。由圖20可知，此時(shí)內(nèi)開關(guān)管[Q2]可以實(shí)現(xiàn)ZVS，且有效占空比D=0.4。

5" 結(jié)" 論

針對(duì)PSM與PFM單一調(diào)制策略在低壓輸出時(shí)無(wú)法滿足寬輸出電壓范圍的問(wèn)題，本文分析兩種調(diào)制策略的增益特性并選擇電壓切換點(diǎn)，在低壓輸出時(shí)使用PSM調(diào)制策略，在高壓輸出時(shí)使用PFM調(diào)制策略，提出PSM?PFM混合控制。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PSM?PFM混合控制在前級(jí)供電穩(wěn)定時(shí)，后級(jí)LLC諧振變換器可以在輸出寬直流電壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS，使充電模塊后級(jí)為動(dòng)力電池提供穩(wěn)定、寬范圍且可調(diào)的充電電壓。

注：本文通訊作者為王君瑞。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪濤，鄭婷予，彭瑜欣.基于CiteSpace圖譜量化的新能源汽車產(chǎn)業(yè)研究熱點(diǎn)分析[J].技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2020，39（5）：134?141.

[2] 李子欣，高范強(qiáng)，趙聰，等.電力電子變壓器技術(shù)研究綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018，38（5）：1274?1289.

[3] 胡存剛，劉威，朱文杰，等.寬范圍輸入三電平半橋LLC變換器混合控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2024，28（2）：120?128.

[4] 趙清林，吳娜，王德玉，等.PWM控制的雙向LLC諧振變換器[J].電網(wǎng)技術(shù)，2022，46（5）：1990?1999.

[5] 張杰，楊淋，肖辭，等.限制調(diào)頻范圍的不對(duì)稱多模式寬輸出LLC變換器[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2024，28（3）：149?156.

[6] 石林，劉邦銀，段善旭.一種基于Burst?PWM混合控制的LLC諧振變換器寬電壓范圍輸出策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，34（22）：4772?4780.

[7] 林維明，張亮亮，陳紅星，等.一種可控諧振電感的半橋LLC電路及其控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2021，25（9）：46?60.

[8] 孟濤.三電平充電樁的研究與設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018.

[9] SHI L， LIU B， DUAN S， et al. Voltage auto?balance characteristic analysis and clamp circuits design of hybrid?clamped three?level LLC converter [J]. IEEE transactions on industry applications， 2019， 55（6）： 6026?6030.

[10] 詹昕明，何震，杭麗君，等.CLLLC諧振電路模型改進(jìn)方法研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2023，43（13）：5105?5116.

[11] 劉期輝，高文雷，劉銀川，等.一種半橋LLC高壓電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（4）：103?108.

[12] SHI L， LIU B， DUAN S. Burst mode and phase shift hybrid control method of LLC converters for wide output range applications [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2020， 67（2）： 1013?1023.

[13] 李志軍，徐鐸，孫樂(lè)，等.基于可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LLC變換器的新型混合調(diào)制策略[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2021，42（2）：338?345.