摘 要：

針對車載DC-DC變換器輸入電壓變化范圍大的問題，提出一種組合式寬輸入高效率DC-DC變換器。該變換器包括飛跨電容（FC）型三電平Buck電路和LLC諧振電路兩部分，F(xiàn)C三電平Buck電路輸出端口與LLC諧振電路輸入端口串聯(lián)，通過控制FC三電平Buck電路占空比實現(xiàn)輸出電壓調節(jié)以適應寬輸入電壓范圍，同時三電平結構降低了開關管電壓應力、減小了損耗；LLC諧振電路傳輸負載所需全部功率，采用定頻開環(huán)控制以獲得高效率和穩(wěn)定增益，同時實現(xiàn)了電氣隔離。詳細分析了組合式變換器的拓撲結構、直流增益以及工作效率，并與相同電路構成的級聯(lián)式變換器進行了效率特性對比，根據(jù)組合式變換器的拓撲結構和工作特性，提出一種解耦控制策略，實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定和飛跨電容電壓平衡，最后搭建了一個200～400 V輸入、12 V/20 A輸出的實驗電路進行驗證，實驗結果表明所提組合式變換器的正確性和可行性。

關鍵詞：組合式變換器；飛跨電容型三電平Buck；LLC；寬輸入電壓范圍；高效率；解耦控制

DOI：10.15938/j.emc.2024.03.002

中圖分類號：TM46

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）03-0013-11

收稿日期： 2023-09-19

基金項目：

作者簡介：李勁暉（2000—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動；

賁洪奇（1965—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力電子系統(tǒng)數(shù)字控制技術；

朱俊函（1999—），男，碩士，研究方向為電力電子與電力傳動；

寧繼超（1995—），男，博士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

通信作者：李勁暉

Combined wide input and high efficiency DC-DC converter

LI Jinhui1， BEN Hongqi1， ZHU Junhan2， NING Jichao1

（1.School of Electrical Engineering and Automation， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China;2.Huawei Technologies Co.， Ltd.， Dongguan 523000， China）

Abstract：

Aiming at the problem that the input voltage of the vehicle-mounted DC-DC converter varies widely， a combined wide-input high-efficiency DC-DC converter was proposed. The converter consists of two parts： a flying capacitor （FC） type three-level Buck circuit and an LLC resonant circuit. The output port of the FC three-level Buck circuit is connected in series with the input port of the LLC resonant circuit. By controlling the duty cycle of the FC three-level Buck circuit， the output voltage was adjusted to adapt to a wide input voltage range. At the same time， the three-level structure reduces the voltage stress of the power switches and reduces the loss; the LLC resonant circuit transmits all the power required by the load. Using fixed-frequency and open-loop control， high efficiency and stable gain were achieved while achieving electrical isolation. The topology， DC gain and working efficiency of the combined converter were analyzed in detail， and the efficiency characteristics were compared with the cascaded converter composed of the same circuit. According to the topology and working characteristics of the combined converter， a decoupling control strategy was proposed to achieve output voltage stability and flying capacitor voltage balance. Finally， an experimental circuit with 200-400 V input and 12 V/20 A output was built for verification. The experimental results show correctness and feasibility of the proposed combined converter.

Keywords：combined converter; flying capacitor type three-level Buck; LLC; wide input voltage range; high efficiency; decoupling control

0 引 言

隨著化石能源逐漸枯竭所引發(fā)的環(huán)境污染問題日益嚴重，清潔能源在未來社會經(jīng)濟發(fā)展中的地位越發(fā)重要，電動汽車（electric vehicles，EV）作為減少化石能源消耗和二氧化碳排放的重要手段之一［1］，近年來，因其經(jīng)濟、無污染的特點得到迅速發(fā)展［2-3］。然而，由鋰離子電池組成的車載動力電池組輸出電壓波動范圍較寬［4］，要求車載DC-DC變換器能夠適應較寬的輸入電壓范圍。

LLC諧振變換器能夠在全電壓范圍和全負載范圍內實現(xiàn)原邊開關管零電壓開通（zero voltage switching，ZVS）和副邊整流管零電流關斷（zero current switching，ZCS），從而減小損耗，提高效率［5-6］。但LLC諧振變換器通常采用變頻控制，當增益變化范圍較寬時，其開關頻率變換范圍也較寬［7］，不利于磁性元器件的設計。為使LLC諧振變換器能夠適應寬輸入電壓要求，部分學者在傳統(tǒng)LLC諧振變換器的基礎上做出改進［8-12］。文獻［8］提出一種新型的半橋LLC諧振變換器，用耦合變壓器代替帶有中心抽頭的變壓器，通過繼電器改變耦合變壓器的匝數(shù)比，從而減小頻率調節(jié)范圍，但耦合變壓器的使用提高了變換器的結構復雜度，同時繼電器的使用降低了變換器的可靠性。文獻［9］提出一種定頻控制三電平LLC諧振變換器，變換器工作在固定頻率以獲得高效率，通過控制變壓器原副邊開關管驅動信號移相角調節(jié)變換器直流增益，副邊采用多繞組方式增加變換器的增益范圍，但多繞組方式增加了變壓器的體積和優(yōu)化設計難度。文獻［10］提出一種采用新型整流結構的全橋LLC諧振變換器，其整流網(wǎng)絡能夠工作在三倍壓、四倍壓和五倍壓整流3種工作模式下，減小了變換器的頻率調節(jié)范圍并提供更高的電壓增益，但變換器結構復雜度提高，且副邊整流網(wǎng)絡工作模式切換時存在較大的諧振電流尖峰。文獻［11-12］雖然獲得了寬電壓增益和高效率，但輸入電壓范圍受到限制。

兩級式DC-DC變換器因其具有高效率、隔離和寬輸入電壓范圍的特點，在車載DC-DC變換器領域得到了廣泛應用［13-14］。文獻［15-16］采用Boost電路與LLC諧振電路級聯(lián)的變換器結構，LLC諧振電路采用定頻開環(huán)控制，直流增益恒定，通過調節(jié)Boost電路占空比實現(xiàn)輸出電壓調節(jié)以適應寬輸入電壓范圍，但在高輸入電壓場合，其中間母線電壓和后級LLC諧振電路開關管較難選取。文獻［17-18］采用Buck電路與LLC諧振電路級聯(lián)的變換器結構，工作原理與上述級聯(lián)式變換器相似，能夠克服上述開關管難以選取的缺點，但這種結構的級聯(lián)式變換器中間母線電壓總是低于輸入電壓，不利于變換器效率的優(yōu)化設計。文獻［19-21］采用四開關Buck-Boost電路級聯(lián)LLC諧振電路的變換器結構，能夠克服上述母線電壓和開關管難以選取的問題且有利于變換器效率的優(yōu)化設計，但與上述2種結構的級聯(lián)式變換器存在相同不足，其前級非隔離DC-DC電路需處理全部負載功率，損耗較高。采用級聯(lián)式變換器，雖然適應了寬輸入電壓范圍，但變換器前級非隔離DC-DC電路制約著效率的進一步提升。

針對上述問題，本文提出一種由飛跨電容（flying capacitor，F(xiàn)C）型三電平Buck電路和LLC諧振電路構成的組合式DC-DC變換器，F(xiàn)C三電平Buck電路輸出端口與LLC諧振電路輸入端口串聯(lián)，通過FC三電平Buck電路實現(xiàn)輸出電壓調節(jié)，使變換器適應寬輸入電壓范圍，與普通兩電平Buck電路相比，電感電流紋波和開關管電壓應力降低［22］；LLC諧振電路工作在高效率的定頻開環(huán)狀態(tài)，其工作模式相當于直流變壓器（direct current transformer， DCT），向負載傳輸功率并實現(xiàn)電氣隔離。由于變換器的負載功率全部由LLC諧振電路提供，F(xiàn)C三電平Buck電路僅處理部分功率實現(xiàn)電壓調節(jié)，減少了非隔離電路損耗。所提出的組合式變換器具有控制簡單、適應寬輸入電壓范圍且具有較高效率的優(yōu)點，可用于設計車載鋰離子動力電池組后級的DC-DC變換器。

1 拓撲結構與工作原理

1.1 拓撲結構

由FC三電平Buck電路和LLC諧振電路構成的組合式DC-DC變換器如圖1所示，變換器輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vo。其中：Q1、Q2、Q3、Q4、Cf、L等組成FC三電平Buck電路，其輸出端口電壓為Vo_buck；Q5、Q6、Lr、Cr、Lm、T1、SR1、SR2等組成LLC諧振電路，副邊采用同步整流（synchronous rectification，SR）技術，變壓器變比為n，其輸入端口與FC三電平Buck電路的輸出端口串聯(lián)，其輸入端口電壓Vin_LLC=2nVo=Vin-Vo_buck。

1.2 工作原理及模式分析

組合式變換器中，開關管Q1、Q2與Q4、Q3以占空比D1互補導通，Q2、Q4與Q1、Q3驅動信號相位相差180°，采用PWM調制方式，通過控制FC三電平Buck電路輸出端口電壓Vo_buck使LLC諧振電路輸入端口電壓Vin_LLC恒定，從而使變換器在不同輸入電壓下維持輸出電壓不變；開關管Q5與Q6以固定占空比D2（D2=0.5）互補導通，為LLC諧振槽提供輸入電壓utank，向負載傳輸功率的同時起到電氣隔離的作用。

LLC諧振電路始終開環(huán)工作在諧振頻率處，電壓增益恒定，其工作模式相當于一個直流變壓器，穩(wěn)態(tài)時的工作波形與獨立工作的LLC諧振電路相同，原邊開關管實現(xiàn)了ZVS，副邊整流管實現(xiàn)了ZCS，同時副邊SR技術的應用，使LLC諧振電路效率最優(yōu)。

組合式變換器通過FC三電平Buck電路實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)，根據(jù)占空比D1的大小，F(xiàn)C三電平Buck電路具有2種不同的工作模式，穩(wěn)態(tài)時的主要工作波形如圖2所示。當組合式變換器輸入電壓Vinlt;4nVo時，F(xiàn)C三電平Buck電路占空比0lt;D1lt; 0.5，工作在模式1，此時FC三電平Buck電路A、B兩點間電壓VAB在0和Vin/2之間交替運行；當組合式變換器輸入電壓Vingt;4nVo時，F(xiàn)C三電平Buck電路占空比0.5lt;D1lt;1，工作在模式2，此時FC三電平Buck電路A、B兩點間電壓VAB在Vin和Vin/2之間交替運行。

隨著組合式變換器輸入電壓的升高，F(xiàn)C三電平Buck電路由工作模式1轉變?yōu)楣ぷ髂Ｊ?，但電感電流iL始終為負，F(xiàn)C三電平Buck電路電流由輸出端口流向輸入電源，處理部分功率實現(xiàn)電壓調節(jié)但不向負載供電，負載所需功率全部由LLC諧振電路提供。

與相同電路構成的級聯(lián)式變換器相比，LLC諧振電路同樣處理全部負載功率，但與級聯(lián)式變換器非隔離電路處理全部負載功率不同，組合式變換器中FC三電平Buck電路僅處理部分功率實現(xiàn)電壓調節(jié)，變換器非隔離部分損耗減少，效率提高。

2 組合式變換器特性分析

2.1 增益特性分析

對于提出的組合式變換器，F(xiàn)C三電平Buck電路輸入端口電壓為變換器輸入電壓Vin、輸出端口電壓為Vo_buck；LLC諧振電路輸入端口電壓為Vin_LLC、輸出端口電壓為變換器輸出電壓Vo。FC三電平Buck電路與LLC諧振電路無任何共用元件，兩者的增益互不影響，因此，設FC三電平Buck電路的直流增益為MBuck，LLC諧振電路的增益為MLLC，組合式變換器的增益為MC。

3 組合式變換器解耦控制策略

針對由FC三電平Buck電路和LLC諧振電路構成的組合式變換器，提出一種解耦控制策略，控制框圖如圖8所示。組合式變換器的閉環(huán)控制包含輸出電壓調節(jié)和FC三電平Buck電路飛跨電容電壓平衡兩部分，補償環(huán)節(jié)均為PI補償器。

組合式變換器通過控制FC三電平Buck電路占空比調節(jié)其輸出端口電壓Vo_buck，使開環(huán)工作在諧振頻率處的LLC諧振電路輸入端口電壓Vin_LLC保持恒定，從而使變換器輸出電壓Vo恒定。當輸出電壓升高時，F(xiàn)C三電平Buck電路應提高輸出端口電壓，若直接使用補償器輸出作為PWM調制部分的輸入信號，當輸出電壓升高偏差信號變大，補償器輸出減小，F(xiàn)C三電平Buck電路輸出端口電壓下降，輸出電壓進一步升高，系統(tǒng)無法穩(wěn)定。因此，在補償器之后加入前饋環(huán)節(jié)，當輸出電壓升高偏差信號變大時，PWM調制部分輸入信號增大，F(xiàn)C三電平Buck電路輸出電壓上升，變換器輸出電壓降低，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。

用于實現(xiàn)電壓調節(jié)的FC三電平Buck電路在各參數(shù)之間相互匹配時，通過交錯控制，其飛跨電容電壓具有自平衡特性，但在實際電路中，自平衡特性受到負載阻抗、電流紋波等的影響，飛跨電容電壓存在偏移。

為使FC三電平Buck電路正常工作實現(xiàn)輸出電壓調節(jié)，對輸出電壓Vo與飛跨電容電壓VC進行解耦控制。將輸出電壓與給定信號的偏差經(jīng)過補償器GVo（s）和前饋控制環(huán)節(jié)后得到占空比D1，將飛跨電容電壓與輸入電壓一半的偏差經(jīng)補償器GVC（s）后得到占空比微調量ΔD，對占空比D1加減ΔD后進行PWM調制得到開關管Q1、Q2的驅動信號，Q1、Q2的驅動信號之間的相位相差180°。

通過控制FC三電平Buck電路占空比D1，實現(xiàn)輸出電壓調節(jié)；通過控制開關管Q1、Q2驅動信號占空比之差，主動調節(jié)飛跨電容電壓，實現(xiàn)電壓平衡。對占空比D1施加的微調量ΔD遠小于其本身，既不影響變換器輸出電壓的穩(wěn)定，又不影響交錯控制時的同步整流特性。

4 實驗驗證

為驗證理論分析的正確性和所提組合式變換器的可行性，搭建了一個200～400 V輸入、12 V/20 A輸出的實驗電路，變換器具體參數(shù)如表1所示，變換器主要器件型號如表2所示。在組合式變換器的解耦控制中，輸出電壓控制環(huán)路補償器參數(shù)KPVo=0.2、KIVo=0.1，飛跨電容電壓平衡控制環(huán)路補償器參數(shù)KPVc=0.000 3、KIVc=1.0。由于實驗過程需改變FC三電平Buck電路與LLC諧振電路的連接方式來分別構成組合式變換器與級聯(lián)式變換器，故實驗電路采用多模塊組合結構，變換器實驗電路構成示意圖如圖9所示。

圖10為輸入電壓Vin=200 V時組合式變換器的啟動波形和穩(wěn)態(tài)實驗波形，此時FC三電平Buck電路D1=0.04，Vo_buck=8 V，開關管電壓應力為100 V、電流應力約為0.3 A；圖11所示為輸入電壓Vin=300 V時組合式變換器的啟動波形和穩(wěn)態(tài)實驗波形，此時D1=0.36，Vo_buck=108 V，開關管電壓應力為150 V、電流應力約為0.7 A；圖12所示為輸入電壓Vin=400 V時組合式變換器的啟動波形和穩(wěn)態(tài)實驗波形，此時D1=0.52，Vo_buck=208 V，開關管電壓應力為200 V、電流應力約為1 A。

由圖10～圖12可知，變換器實驗波形與理論分析一致，提出的解耦控制策略對變換器實現(xiàn)有效控制，在不同的輸入電壓下，啟動過程中，F(xiàn)C三電平Buck電路飛跨電容電壓逐漸穩(wěn)定在輸入電壓的一半，同時變換器輸出電壓穩(wěn)定；隨著輸入電壓的升高，F(xiàn)C三電平Buck電路占空比D1上升，開關管電壓電流應力上升。

LLC諧振電路穩(wěn)態(tài)實驗波形如圖13所示，可以看出，諧振波形與獨立工作的LLC諧振電路相同，開關管電壓應力即為LLC諧振電路輸入端口電壓Vin_LLC=192 V、電流應力約為4 A，與理論分析一致；LLC諧振電路副邊整流管驅動信號由同步整流驅動芯片UCC24624生成，驅動電壓在整流管漏極與源極之間電壓超過-35 mV時由10 V降至SR閾值電壓，能夠防止同步整流管過早關斷造成體二極管導通，損耗增加，同時能夠縮短關斷延遲時間。

組合式變換器動態(tài)響應實驗波形如圖14所示，當變換器輸入電壓突變時，輸出電壓可迅速調節(jié)至穩(wěn)定，同時飛跨電容電壓調節(jié)至輸入電壓的一半；當變換器負載突變時，變換器經(jīng)過短暫調節(jié)，輸出電壓能夠始終穩(wěn)定在12 V，飛跨電容電壓基本保持不變，驗證了所提解耦控制策略的有效性。

圖15為組合式變換器在不同輸入電壓下隨輸出功率變化的效率曲線，可以看出，變換器效率隨著輸出功率的上升而上升；變換器在輸入電壓較低時的效率特性要優(yōu)于輸入電壓較高時，與理論分析一致。

改變電路連接方式，將組合式結構修改為級聯(lián)式結構重測輸入電壓Vin=200 V時變換器不同輸出功率時的效率并與組合式變換器對比，如圖16所示，可以看出，相較于級聯(lián)式變換器，組合式變換器的效率特性有所提升，且隨著輸出功率的上升，效率優(yōu)勢越發(fā)明顯。

5 結 論

本文提出了一種具有寬輸入電壓范圍與高效率特性的組合式變換器，解決了LLC諧振變換器增益范圍窄和級聯(lián)式變換器效率受限的問題。此外，提出的變換器還具有以下優(yōu)點：

1）LLC諧振電路開環(huán)工作在諧振頻率處，效率最優(yōu)，增益恒定，傳輸負載所需全部功率，同時實現(xiàn)原邊開關管ZVS和副邊整流管ZCS。

2）Buck電路采用飛跨電容三電平結構，與普通兩電平Buck電路相比，開關管電壓應力降低；輸出端口空載，僅處理部分功率實現(xiàn)電壓調節(jié)，變換器非隔離電路損耗減少。

3）調整FC三電平Buck電路占空比即可實現(xiàn)對輸出電壓的控制，控制策略簡單、實現(xiàn)容易。

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（編輯：劉琳琳）