摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)LLC諧振變換器在寬輸入下開關(guān)損耗過大、增益范圍較窄、難以保持輸出穩(wěn)定的問題，研究一種變模態(tài)寬增益諧振變換器。該變換器及其控制策略能夠依據(jù)輸入電壓的大小，在全橋和半橋兩種模態(tài)之間自由切換，有效拓寬電壓增益范圍。通過對(duì)變換器諧振腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，進(jìn)一步拓寬增益，減小能量循環(huán)、降低開關(guān)管損耗，同時(shí)能夠在電流傳輸中引入三次諧波，降低損耗。利用基波近似法對(duì)電壓增益進(jìn)行推導(dǎo)，繪制增益曲線圖，分析諧振參數(shù)對(duì)電壓增益的影響，根據(jù)需求設(shè)計(jì)合適的參數(shù)，并運(yùn)用變頻控制，通過調(diào)節(jié)輸入電壓，使得變換器運(yùn)行在不同模態(tài)，實(shí)現(xiàn)電壓平穩(wěn)輸出。搭建一臺(tái)55～220 V輸入、30 V輸出的300 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提變換器控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：模態(tài)切換；三次諧波；寬增益；寬輸入；基波近似法；開關(guān)損耗

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中圖分類號(hào)：TM46文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on wide gain resonant converter with mode switching under input voltage variation

FENG Xingtian， LI Ziyan， ZHOU Guangrui， WANG Yubin

（College of New Energy， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract：In order to solve the problems that LLC resonant converter has too large breaking loss， narrow gain range and unstable output under wide input， a wide gain resonant converter with changing mode was researched. The converter and its control strategy can freely switch between full bridge and half bridge according to the input voltage， effectively expanding the voltage gain range. Moreover， the gain range can be further widened by optimizing the resonator structure to reduce the energy cycle and switch loss. The structure introduced the third harmonic in the current transmission to reduce the loss. In this paper， the fundamental harmonic approximation method was used to deduce the voltage gain， draw the gain curve， analyze the influence of resonance parameters on the voltage gain. The appropriate parameters were designed according to the demand. Variable frequency control was used to make the converter operate in different modes by regulating the input voltage to achieve stable voltage output. A 300 W experimental prototype was built with 55-220 V input and 30 V output. The experimental results show the effectiveness of the converter topology and the proposed control strategy.

Keywords：mode switching; third harmonic; wide gain; wide input; fundamental harmonic approximation; switch loss

0 引 言

LLC諧振變換器作為一種先進(jìn)DC/DC變換器[1-2]，具備較好的軟開關(guān)特性，能夠有效降低開關(guān)損耗、大幅提升效率，被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車充電樁、航天器、固井電源以及新能源發(fā)電與儲(chǔ)能等領(lǐng)域[3-4]。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和國(guó)家節(jié)能降耗戰(zhàn)略的推進(jìn)，清潔能源的大力發(fā)展刻不容緩。作為清潔能源發(fā)電的主流，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電受自然條件影響而造成輸出功率波動(dòng)較大，給后續(xù)應(yīng)用帶來(lái)不便。LLC諧振變換器應(yīng)用在這些場(chǎng)合的時(shí)候，需要適應(yīng)輸入電壓的波動(dòng)，并能始終保持輸出電壓穩(wěn)定，這也是傳統(tǒng)LLC諧振變換器的實(shí)施難點(diǎn)。

為解決上述問題，許多學(xué)者對(duì)輸入電壓波動(dòng)下的LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化和先進(jìn)控制策略[5-14]進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[8]將輔助開關(guān)引入LLC諧振變換器，運(yùn)用定頻控制，通過控制輔助開關(guān)的通斷來(lái)改變變壓器繞組參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬輸入。文獻(xiàn)[9]為避免磁化電感過小導(dǎo)致變換器體積過大，設(shè)計(jì)有輔助開關(guān)的兩模式諧振變換器。但是上述2種結(jié)構(gòu)由于輔助開關(guān)工作在硬開關(guān)狀態(tài)，增加了變換器損耗，同時(shí)也增大了生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)[10]提出一種寬輸入的三電平LLC諧振變換器，當(dāng)輸入電壓較高時(shí)工作在三電平模式，能夠有效降低功率器件的電壓應(yīng)力，從而縮小了開關(guān)頻率的調(diào)節(jié)范圍；但在輸入電壓較低時(shí)需要較大增益保證輸出電壓穩(wěn)定。文獻(xiàn)[11]提出一種定頻LLC諧振變換器，通過Boost電路提升輸入電壓增益，進(jìn)而一定程度上拓寬輸入電壓范圍，但是由于電感存在均流問題，且需要對(duì)兩部分分別進(jìn)行控制，使得控制過于復(fù)雜。文獻(xiàn)[12]提出一種改進(jìn)LLC諧振變換器，通過Buck-Boost模式的切換和定頻控制，能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍輸入，但是由于其在2種模式中，均有一個(gè)模態(tài)不能將能量傳遞到副邊的狀態(tài)，導(dǎo)致效率明顯降低。文獻(xiàn)[13]分析了一種四元件CLCL直流變換器，其呈現(xiàn)多種諧振特性，拓寬電壓增益，實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)（zero voltage switch，ZVS）和零電流開關(guān)（zero current switch，ZCS），有效提升了變換器工作效率。但其電路結(jié)構(gòu)形式靈活性差，限制了電壓增益范圍。文獻(xiàn)[14]中，諧振變換器采用了同步整流技術(shù)，使用頻率調(diào)制進(jìn)行控制，且同步整流開關(guān)使用同相開關(guān)信號(hào)與一次側(cè)開關(guān)進(jìn)行控制，使得輸入電壓范圍增大，且因?yàn)檗D(zhuǎn)換器在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)對(duì)稱工作，所以沒有變壓器直流偏移電流，損耗極低。但是，同步整流器不僅大大增加了成本，還帶來(lái)了較大的電流應(yīng)力。

綜上分析，各類研究通過不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓增益、輸入電壓范圍的增大，但也相應(yīng)帶來(lái)?yè)p耗過大、成本提高等問題。基于此，本文在傳統(tǒng)LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加電容（C）和電感（L）兩種元件，研究這種CL-LLC型諧振變換器的結(jié)構(gòu)原理以及全橋/半橋變模態(tài)控制策略。變模態(tài)控制策略能夠自由切換全橋/半橋結(jié)構(gòu)，有效拓寬電壓增益范圍；以輸入電壓的大小作為模態(tài)切換的條件進(jìn)行控制，能夠有效擴(kuò)大輸入電壓的范圍；進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)諧振單元的結(jié)構(gòu)，不斷提升輸入電壓波動(dòng)下變模態(tài)寬增益諧振變換器的性能優(yōu)勢(shì)，使其能夠充分適用于電壓波動(dòng)范圍較大的工況。

1 CL-LLC諧振變換器建模

圖1給出了全橋CL-LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在典型全橋LLC諧振變換器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改變了諧振腔單元的結(jié)構(gòu)。該變換器采用全控型開關(guān)器件Q1～Q4為核心搭建逆變單元，開關(guān)器件Q1～Q4的寄生二極管和寄生電容分別由二極管DQ1～DQ4和電容CQ1～CQ4模擬。諧振腔單元由諧振電感Lr、諧振電容Cr、勵(lì)磁電Lm、附加電容Cx和附加電感Lx構(gòu)成。三繞組變壓器的變比為n∶1∶1，副邊兩繞組嚴(yán)格對(duì)稱。整流單元是一個(gè)單相全波整流器，主要由電力二極管D1、D2組成。輸出電容Co發(fā)揮濾波穩(wěn)壓作用，RC為其等效內(nèi)阻。RL代表負(fù)載電阻。

1.1 CL-LLC變換器數(shù)學(xué)模型

針對(duì)CL-LLC諧振變換器的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用基波近似法（first harmonic approximation，F(xiàn)HA）進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析。

CL-LLC諧振變換器工作時(shí)，應(yīng)該兼顧全橋和半橋模態(tài)下的增益要求。合適d值的選擇依據(jù)為：僅在全橋模態(tài)Qmax情況下檢驗(yàn)最大增益，或僅在半橋模態(tài)（1/2）Qmax情況下檢驗(yàn)半最大增益，此處以全橋模態(tài)為例進(jìn)行驗(yàn)證，如圖9所示。由于全橋模態(tài)達(dá)到最低增益的要求比半橋模態(tài)更復(fù)雜，所以最低增益僅需全橋模態(tài)Qmin情況下滿足即可，如圖10所示。最后根據(jù)圖11的仿真驗(yàn)證結(jié)果可取d=0.45、Q=1.3。

圖12、圖13分別分析了m、y 2個(gè)參數(shù)對(duì)增益的影響規(guī)律，從圖中可以看出，增益曲線在（1，1） 處交匯，只是諧振零點(diǎn)f0的位置發(fā)生變化，說(shuō)明CL-LLC諧振變換器引入三次諧波后，仍保持傳統(tǒng)LLC諧振變換器的增益特性。另一方面，f0距離fr1、fr2太近，會(huì)導(dǎo)致增益曲線斜率變陡，輸出穩(wěn)定性變差；f0距離fr1、fr2太遠(yuǎn)，增益曲線斜率則變化平緩，又不能充分發(fā)揮電壓調(diào)節(jié)特性。所以，只有合理選擇f0和fr1、fr2的距離，才能通過高效利用三次諧波來(lái)提升效率。根據(jù)上述分析，此處選取f0=2fr1，fr2=3fr1。本文CL-LLC諧振變換器具體電路參數(shù)見表1。

3 切換策略與仿真分析

3.1 全橋/半橋變模態(tài)切換點(diǎn)

基于輸入電壓的變化范圍，合理選取變模態(tài)CL-LLC變換器的運(yùn)行切換點(diǎn)，以最大化利用諧振網(wǎng)絡(luò)。CL-LLC變換器運(yùn)行在全橋/半橋2種模態(tài)，首先由于全橋模態(tài)下諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓Vab為幅值等于正負(fù)輸入電壓的方波電壓，因此切換點(diǎn)電壓不高于變換器最小輸入電壓的兩倍；其次，半橋模態(tài)下諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓為半電壓，因此切換點(diǎn)電壓不低于變換器最大電壓的二分之一。綜上所述，選擇切換點(diǎn)時(shí)要對(duì)2種模態(tài)進(jìn)行權(quán)衡進(jìn)而取最優(yōu)值。本文選取110 V為全橋/半橋模態(tài)的電壓切換點(diǎn)，全橋模態(tài)對(duì)應(yīng)55～110 V的輸入電壓；半橋模態(tài)對(duì)應(yīng)110～220 V的輸入電壓。

3.2 增益分析

根據(jù)所求參數(shù)繪制此時(shí)的增益曲線，如圖14、圖15所示。

對(duì)比2條增益曲線，可以看出在諧振頻率點(diǎn)附近沒有明顯差異，但是CL-LLC諧振變換器增益峰值點(diǎn)增大且右移，其頻率更加接近諧振頻率。頻率大于100 kHz時(shí)，調(diào)節(jié)較窄的頻率，增益就會(huì)有較大的波動(dòng)，增益調(diào)節(jié)更加靈活，這說(shuō)明所提出的變換器實(shí)現(xiàn)了寬增益調(diào)節(jié)。在其他條件相同的情況下，半橋增益為全橋增益的一半，不僅實(shí)現(xiàn)了寬輸入，也進(jìn)一步拓寬了增益范圍。

3.3 軟開關(guān)與效率分析

圖16～圖19分別給出了改進(jìn)諧振變換器分別工作在全橋、半橋模態(tài)時(shí)，輕載和重載工況下的ZVS與ZCS仿真分析。從圖中可以看出，CL-LLC諧振變換器能夠?qū)崿F(xiàn)寬輸入條件下的軟開關(guān)運(yùn)行。

圖20給出了相同條件下，輸入電壓變化時(shí)，傳統(tǒng)LLC諧振變換器和CL-LLC諧振變換器的效率曲線。對(duì)比分析可知，在較低輸入和高輸入時(shí)，2種結(jié)構(gòu)的效率曲線變化趨勢(shì)相似；中間段引入三次諧波之后，有效降低了電流損耗使得傳輸功率提升，但是涉及到兩模態(tài)切換，稍微影響變換器運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，改進(jìn)后的全橋/半橋模態(tài)諧振變換器效率明顯高于傳統(tǒng)LLC諧振變換器。其中，改進(jìn)后的變換器效率最高可達(dá)97.2%，說(shuō)明該變換器既能有效拓寬輸入電壓范圍，又能發(fā)揮高效率的優(yōu)勢(shì)。

3.4 輸出結(jié)果分析

為使CL-LLC諧振變換器在輸入范圍較寬的情況下能夠達(dá)到輸出穩(wěn)定電壓的效果，變換器采用變頻控制，根據(jù)輸入電壓大小運(yùn)行在不同模式。當(dāng)輸入電壓為55～110 V時(shí)，變換器工作于全橋模態(tài)，如圖21（a）和圖22（a）所示；當(dāng)輸入電壓為110～220 V時(shí)，變換器工作在半橋模態(tài)，如圖21（b）和圖22（b）所示。變模態(tài)運(yùn)行時(shí)，輕載/重載下變換器波動(dòng)都非常小，能夠平滑切換，有效降低切換損耗，如圖23和圖24所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以TMS320F28335系列DSP（digital signal processor）為控制核心，采用SiC MOSFET功率器件[19-20］搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證所提全橋/半橋變模態(tài)寬增益諧振變換器結(jié)構(gòu)及控制策略的有效性，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖25所示。

由圖26可知，輸入電壓波動(dòng)時(shí)（80～200 V），輸出電壓能夠保持穩(wěn)定（30 V）。圖27給出的MOSFET開關(guān)管的柵源電壓和漏源電壓波形說(shuō)明，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS導(dǎo)通。圖28展示的MOSFET 開關(guān)管的柵源電壓和諧振電流波形表明，諧振電流在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)保持馬鞍形，整流二極管實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷。圖29和圖30表明輸入電壓波動(dòng)時(shí)，全橋/半橋模態(tài)能夠自由切換，輸出電壓保持穩(wěn)定。圖31說(shuō)明負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓能夠一直保持穩(wěn)定，體現(xiàn)了良好的穩(wěn)態(tài)性能。由圖32和圖33可知，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，輸出電流發(fā)生突變，有較小波動(dòng)但能夠迅速恢復(fù)，輸出電壓穩(wěn)定且基本無(wú)波動(dòng)，體現(xiàn)了良好的動(dòng)態(tài)性能。

圖34為變換器中各元器件損耗分布情況。其中變壓器損耗為主要損耗，包括磁芯損耗和繞組損耗，變壓器損耗與所選鐵心材料密切相關(guān)，硬件電路搭建中選擇了硅鋼片，且采用疊裝的方式，繞組損耗主要是高頻工作時(shí)趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的。由于MOSFET采用軟開關(guān)技術(shù)，整流二極管損耗在空載運(yùn)行時(shí)可忽略，該部分損耗占比相對(duì)較小，帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)隨著頻率升高損耗呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。圖35給出了變換器的效率曲線，在不同輸入電壓下，效率有所不同，整體趨勢(shì)與仿真一致。

針對(duì)CL-LLC諧振變換器改進(jìn)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)LLC變換器結(jié)構(gòu)，繪制輸入電壓波動(dòng)下的增益曲線，如圖36所示。從圖中可以看出，兩類結(jié)構(gòu)的最低增益近似，但是傳統(tǒng)LLC變換器的增益值在全橋/半橋模態(tài)切換時(shí)出現(xiàn)斷層，導(dǎo)致整體增益范圍變?。欢倪M(jìn)結(jié)構(gòu)具有靈活調(diào)節(jié)增益特性，能有效避免斷層。另一方面，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的增益曲線整體斜率大于傳統(tǒng)LLC結(jié)構(gòu)，而且改進(jìn)結(jié)構(gòu)的最高增益顯著增加，進(jìn)一步增大了增益范圍，充分說(shuō)明了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的寬增益優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 論

本文引入全橋/半橋變模態(tài)寬增益諧振變換器，增設(shè)附加電容和附加電感改進(jìn)了諧振腔結(jié)構(gòu)，拓寬增益范圍的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的輸出。該CL-LLC諧振變換器及其控制策略，一方面使得增益范圍從傳統(tǒng)LLC變換器的0～1.7，拓寬至改進(jìn)結(jié)構(gòu)的0～2.45；另一方面，將峰值效率從傳統(tǒng)LLC變換器的94.5%，增至改進(jìn)結(jié)構(gòu)的97.2%。仿真分析了不同負(fù)載、不同輸入電壓下改進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)輸出電壓和增益的影響，得到了相應(yīng)的影響規(guī)律，提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。仿真和實(shí)驗(yàn)波形及數(shù)據(jù)說(shuō)明所提改進(jìn)結(jié)構(gòu)及其控制策略具有寬輸入、高增益的特性，具備良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能，從而驗(yàn)證了其正確性和有效性。

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（編輯：劉琳琳）

收稿日期： 2022-08-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51977220）；山東省高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（CM2022053）；山東省研究生優(yōu)質(zhì)專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例庫(kù)（SDYAL2023028）

作者簡(jiǎn)介：馮興田（1978—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮?、電機(jī)控制技術(shù)；

李紫巖（1997—），女，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)；

周廣睿（1998—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電機(jī)控制；

王玉彬（1974—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)。

通信作者：馮興田