寬范圍輸入高效LLC諧振變換器的研究*

史永勝，李利，田衛東，高丹陽

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021)

寬范圍輸入高效LLC諧振變換器的研究*

史永勝*，李利，田衛東，高丹陽

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021)

針對LLC諧振變換器不適合寬范圍輸入，且在寬范圍輸入時整個負載范圍內效率較低的缺陷，提出一種將可變倍頻技術和Burst控制模式相結合的方法。分析了該方法的實現過程，并通過一臺300W的樣機驗證了其可行性。測試數據表明，該變換器可實現100 V～400 V的寬范圍輸入;在此輸入下，當20%以上負載時效率可達到94.8%～96.5%，當5%～20%負載時效率能達到93.5%以上，當小于5%負載時效率能達到87.8%以上。

LLC諧振變換器;寬輸入電壓范圍;高效率;可變倍頻技術;Burst模式

近年來，能源危機日益嚴重，越來越多的學者已開始關注光伏和燃料電池等新能源技術［1-4］。但新能源發電單元受氣候條件和天氣的影響大，輸出電能不穩定、不連續，輸出電壓變化范圍較寬，因此需要一種在寬范圍輸入下仍能高效工作的DC/DC變換器。

LLC諧振變換器能實現高效率、高功率密度和低成本的功率變換［5］，被作為本文的拓撲結構進行了分析和研究。為適應寬范圍輸入高效化的應用，國內外學者對LLC變換器的研究集中在新型拓撲結構和控制方法兩方面［6-10］。文獻［6］提出了一種串聯雙變壓器的LLC變換器，在保持高增益范圍的同時減小了勵磁電流;文獻［7］提出了LLC諧振變換器衍生拓撲結構，并采用定頻控制方法;文獻［8］提出了一種混合式LLC電路諧振與同步整流數字式控制方式;文獻［9］提出一種新穎的混合控制策略，結合了定頻控制和變頻控制的優點;文獻［10］提出了一種用兩個諧振槽回路和輔助開關的新拓撲結構。目前對LLC變換器寬范圍輸入高效化的研究中，最大只能實現高低輸入電壓為2∶1的比例，20%以上負載時效率還相對較低，而輕載時效率更低，目前的電源也常處于輕載狀態，因此對寬范圍輸入高效化的研究具有重要意義。

本文詳細分析了將可變倍頻技術和Burst模式相結合方法的工作原理，并設計了一臺100 V～400 V輸入、12 V/25 A輸出的樣機，驗證了該方案的正確性。

1 工作原理

圖1是本文所研究的寬范圍輸入高效LLC諧振變換器硬件結構圖，采用了雙LLC諧振回路［11］。

主電路中的諧振回路、輸出整流回路與普通LLC諧振變換器相同，只是逆變部分不同，由4個開關管組成疊橋的形式，開關管1與2、開關管3與4的驅動信號分別對應互補。當輸入電壓為100 V～200 V時，利用可變倍頻技術及LLC諧振變換器的效率優化特性，將S1和S3的占空比分別設置為0.5、0.5，工作方式和普通半橋LLC電路相同;當輸入電壓為200 V～400 V時，為了減小功率損耗和電流應力，利用可變倍頻技術，將S1和S3的占空比分別設置為0.25、0.75，輸入變為半電壓，開關頻率減半，同時減小開關管電壓應力，提高系統穩定性。

控制系統采用電壓電流雙環控制［12-13］，輕載時工作在Burst控制模式。經采樣電路及A/D轉換器將采樣的信號送入DSP28335，INA1、INA2、INA3分別對其采樣，DSP的ePWM1A、ePWM1B、ePWM2A、ePWM2B將輸出在一定電壓范圍內的占空比和死區固定的驅動信號，通過驅動電路來驅動主功率開關管S1、S2、S3、S4來穩定輸出。

圖1 寬范圍輸入高效LLC諧振變換器結構圖

2 系統分析與設計

2.1 系統設計策略

2.1.1 寬范圍輸入的實現

本文采用可變倍頻技術來實現寬范圍輸入而不影響其效率，該技術可使變換器的占空比和開關頻率隨著輸入電壓的改變而改變，能在不同的操作環境下有效設置兩個獨立的增益［14］，縮小諧振變換器逆變部分的有效操作范圍，達到寬范圍輸入。

該變換器的逆變部分的電路如圖2所示，由圖可得:

圖2 諧振變換器逆變部分電路圖

當輸入電壓為100 V～200 V時，通過DSP數字控制，4個開關管的開關狀態如表1所示，諧振回路輸入電壓幅值如圖3所示。

表1 模態1開關狀態

圖3 模態1對應電壓幅值圖

當輸入電壓為200 V～400 V時，通過DSP數字控制，4個開關管的開關狀態如表2所示，諧振回路輸入電壓幅值如圖4所示。

表2 模態2開關狀態

圖4 模態2對應電壓幅值圖

由模態1可知為了提高LLC諧振變換器的效率優化特性，將S1和S3的占空比D1和D2都設置為0.5。在模態2時D1和D2分別設置為0.25、0.75，此狀態下的輸出Vinv頻率加倍而幅值減半，可降低高壓下開關頻率過高引起的危害，縮小諧振回路的輸入電壓有效工作范圍，實現寬范圍輸入。

2.1.2 Burst控制模式的實現

圖5是Burst模式的工作原理圖，圖5(a)和5(b)分別對應可變倍頻技術模態1和模態2的Burst控制模式波形，其中Tburst是變換器Burst控制模式的工作周期，Ton是4個主功率晶體管的導通時間，Toff是晶體管的關斷時間。

當檢測到輸出端的電流在額定電流的20%以下時，主程序進入Burst工作模式，即變換器進入間歇式工作狀態。隨著負載的變化，當占空比上升到開關管導通極限值時，開關晶體管將進入Ton導通模式;當占空比下降到開關管關斷極限值時，開關晶體管進入Toff關斷模式，輸出電壓將由輸出電容來提供，直到占空比再次上升到極限值則進入下一個Burst模式。由于開關管有一段時間處于關閉狀態，即將一些無效的周期隔開，隨著負載的減小，會存在更長的無效周期，以此來減小開關管的平均開關頻率和開關周期次數，降低了開關管的通態損耗及變壓器的磁芯損耗，提高了變換器的效率。

圖5 Burst模式工作原理圖

2.2 系統設計

2.2.1 硬件設計

系統硬件結構如圖1所示，主電路采用4個開關管組成疊橋形式的LLC諧振變換器，控制電路采用雙閉環控制。為使變換器能夠實現寬范圍輸入，本文采用可變倍頻技術;為使輸入電壓在寬范圍變化時，負載如何變化都不影響其高效化，采用Burst控制方式。

本文采用的雙閉環控制結構框圖如圖6所示。電壓采樣值UO與電壓基準值Uref比較生成誤差電壓Uerr，經調節器GV形成電壓外環控制，變壓器初級側電流Ip與基準值Iref比較，經調節器Gc形成電流內環，電流內環輸出有效占空比信號，此占空比信號可由軟件產生可實現寬范圍輸入的PWM信號［15］。

圖6 雙閉環控制結構框圖

本文采用了增量PID控制算法［16］，數字控制器輸出的是相鄰兩個采樣時刻所得的位置值之差:

本文將采樣頻率調到極限值，用極點配置法整定PID的系數，并通過Saber仿真整定的參數為: Kp=1.57，Ki=135 74，Kd=0.000 173 8。

本文采用的增量式控制減小了系統累計誤差，通過Kp、Ki、Kd、偏差初值和采樣值得到增量Δu(k)，再用軟件對此增量進行控制，以此來調用占空比子程序，產生相應占空比信號，完成對變換器的設計。

2.2.2 軟件設計

本文的軟件部分主要由主程序、PID調節子程序和中斷程序組成，它們的程序流程圖如圖7所示。

主程序主要是完成系統初始化工作并進入一個循環，判斷開關機，處理一般性故障及等待中斷發生。中斷程序主要是讀取且保存采樣的結果，根據負載情況調用不同控制方式，并用PID算法計算PWM輸出信號，進行調節輸出。

本設計當電路工作在輕載時，將進入Burst控制模式，隔斷無效開關周期，減小開關頻率，降低開關損耗，提高變換器的效率。

圖7 程序流程圖

3 實驗結果及分析

本文為了驗證上述理論分析的合理性，通過Saber仿真軟件首先對電路參數進行了仿真，仿真波形如圖8所示;然后研制了一臺300 W的樣機，驗證了該變換器在100 V～400 V輸入時能夠穩定工作且具有較高效率，該樣機的性能指標如下:

輸入電壓:100 V～400 V

輸出電壓:12 V

輸出電流:25 A

諧振頻率:100 kHz

變壓器變比:55∶3

諧振電感:Lr=25μH

諧振電容:Cr=103 nF

勵磁電感:Lm=75μH

死區時間:tdead=300 ns

主功率開關管采用STP12NM50(550 V，12 A)，驅動芯片采用UCC27424DGN。

圖8(a)、圖8(b)分別為模態1和模態2的Saber仿真波形，由圖可知此諧振變換器能實現ZVS，且在寬范圍輸入和輕載情況下iLr和iLm之差較穩定，而模態1的iLr和iLm之差比模態2的小，即模態1原邊向副邊穩定傳輸的能量比模態2少，兩個模態下輸出電壓基本可達到12 V，仿真電路正常工作，說明了參數設計較合理，能夠實現諧振和軟開關。

圖8 寬范圍輸入LLC諧振變換器的仿真波形

圖9為S1管柵極驅動信號與漏源極的電壓波形，由波形可知，當MOS管關斷時，其漏源極的電壓緩慢上升;當MOS管開通時，其漏源極的電壓已經下降到零。證明了該變換器在寬范圍輸入時，可實現軟開關，減小了開關損耗，提高了變換器效率，設計合理。驗證了可變倍頻技術能實現變換器的寬范圍輸入且不降低其效率。

圖9 S1零電壓開通波形

圖10是效率曲線圖。可以看出，該變換器在20%以上負載時效率可達到94.8%～96.5%，在5%～20%負載時能保持93.5%及以上的效率，在小于5%負載時效率能達到87.8%以上，因此該變換器結合可變倍頻技術和Burst模式控制方式，可實現在寬范圍輸入時無論負載如何變化都能實現高效化。

圖10 效率曲線圖

4 結論

本文對LLC諧振變換器實現寬范圍輸入，且在寬范圍輸入時全負載范圍內的效率問題進行了研究。采用可變倍頻技術，縮小了變換器的有效工作范圍來實現寬范圍輸入，且在20%以上負載時效率較高;采用Burst控制方式，使變換器工作在輕載時，開關頻率和次數都減小，降低開斷損耗，提高了效率。實驗表明，該變換器可滿足輸入高低電壓比為4∶1的寬范圍輸入，在全負載范圍內可實現ZVS且效率較高，驗證了理論分析的正確性，該結構在新能源發電方面具有較好的應用前景。

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史永勝(1964-)男，漢族，陜西西安人，陜西科技大學電氣與信息工程學院，博士，教授，主要研究方向為特種開關電源與新型電源技術研究，shiys@ sust.edu.cn;

李利(1989-)女，漢族，山西晉城人，陜西科技大學電氣與信息工程學院，在讀碩士研究生，主要研究方向為電力電子與電力傳動，928501927@qq.com。

Research of LLC Resonant Converter w ith W ide Range Input and High Efficiency*

SHIYongsheng*，LILi，TIANWeidong，GAO Danyang

(College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

To solve the disadvantage of the LLC resonant converter is not suitable for wide range input，and the efficiency is low in the whole load range as the wide range input.A method of combining variable frequency multiplier technique and burst-mode control strategy is proposed.The implementation processes of thismethod are analyzed，and its feasibility is verified by a 300W prototype.The test data show that the converter can achievewide input range of 100 V～400 V.Under this range，the efficiency can reach 94.8%～96.5%at the loadmore than 20% and achievemore than 93.5%at the load 5%～20%，and in of load condition less than 5%the efficiency is higher than 87.8%.

LLC resonant converter;wide input voltage range;high efficiency;variable frequency multiplier technique; burst-mode

C:1290B

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.048

TM 461

:A

:1005－9490(2017)01－0256－06

項目來源:國家自然科學基金項目(59493300);教育部博士點基金項目(9800462);陜西省工業科技攻關項目(2015GY173);西安市產學研協同創新計劃項目(CXY1513-5)

2016-01-26修改日期:2016-02-25