一種三電平組合式LLC諧振變換器

南昌航空大學 周 鎮

針對直流變壓器現有電磁干擾性能差、磁元件和驅動電路設計復雜等問題，提出一種三電平組合式LLC拓撲，此拓撲具有電壓等級高、功率密度高及驅動設計簡單等特點，能很大程度上提高諧振變換器工作性能。本文首先對所提出的LLC諧振變換器的工作原理、電壓增益和軟開關操作進行了全面分析，同時提出了一種適用于三電平組合式LLC諧振變換器的設計方法，重點討論了勵磁電感的設計考慮。通過采用所提出的設計方法，可以實現初級開關的零電壓開關(ZVS)操作和次級整流器的零電流開關(ZCS)操作。最后，搭建了一個500W的實驗裝置來驗證理論分析。

隨著電動汽車充電以及新能源發電等領域對高能量密度日益增長的需求，具有軟開關功能和高頻特性的諧振變換器引起了各國學者的關注。LLC諧振變換器以其高效率、零電壓開關和高功率密度等特點受到廣泛應用。然而，LLC諧振變換器在大電流應用場合時，較大的諧振電流對變換器極其不利，且整流側二極管反向恢復將導致電壓尖峰大等問題。

國內外學者就此問題展開了相關研究，以期改善LLC諧振變換器在大電流應用場合下的工作性能。有關文獻中研究了一種使用全橋拓撲的結構，考察了拓撲的控制策略和零電壓開關(ZVS)，可以減少電磁干擾污染，提高轉換器的可靠性。有關文獻分析了三電平半橋DC-DC變換器的性能，并提出改進控制策略用于縮小開關頻率范圍，然而低電壓輸入時的效率低，并且諧振元件的應力大。

鑒于上述問題，本文提出了一種三電平組合式LLC諧振變換器拓撲并對其工作原理進行了分析，更進一步研究了電壓增益特性。該拓撲結合了全橋拓撲與多電平拓撲結構優點，且組合式結構能緩解單個諧振腔的負擔，從而減小磁性元器件體積，進一步提高了能量密度。最后，通過搭建實驗樣機驗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拓撲結構如圖1所示，高壓側采用全橋三電平拓撲、低壓側采用組合式整流拓撲，與中間級采用組合式LLC對稱設計。

1.1 工作模態分析

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

圖1 三電平組合式LLC拓撲

電路工作過程具體描述如下：

模態1 [t0-t1]：t0時刻，Q1、Q2、Q5導通，高壓側諧振電流iLr1、iLr2經其體二極管續流，兩端電壓為0，實現ZVS，iLr減小至0，高壓側勵磁電流iLm開始線性減小，低壓側諧振電流is從零按照正弦規律變化，副邊二極管實現零電流導通。

模態2 [t1-t2]：t1時刻，高壓側諧振電流iLr換向至正方向，iLr、is繼續以正弦規律增大，低壓側電壓鉗位變壓器勵磁電感，高壓側勵磁電流iLm線性增大。

模態3 [t2-t3]：t2時刻，Q1關斷，iQ1給Q1的結電容C1充電，iQ1電流值較小，Q1可以實現準零電流開關(ZCS)，電路其它狀態與模態2相同。

模態4 [t3-t4]：t3時刻，諧振電流iLr等于勵磁電流iLm，副邊二極管電流下降為零，實現零電流關斷。此時勵磁電感Lm不被輸出電壓鉗位，諧振電容、諧振電感和勵磁電感發生串聯諧振，由于勵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，組合式對稱諧振腔參數完全一致，因此可將兩個諧振腔等效為一個諧振腔來分析，在基波分析法假設條件下，對單諧振腔基波等效電路分析可得電路的增益G為：

對式（1）進行分析計算并繪制圖像，得到在Q=0.15時，增益G隨參數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 變換器諧振參數計算分析

變換器的工作性能非常依賴于諧振參數的設計，而變換器的性能主要體現于正常運行下的電流回路損耗與軟開關實現。由圖1中的諧振電流iLr和勵磁電流iLm波形可得高壓側諧振電流有效值為：

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

為實現高效率轉換，應保證LLC諧振轉換器的軟開關操作，因此有必要使用三電平組合式LLC諧振變換器的軟開關操作。等效單諧振腔原邊要實現零電壓導通，即要使得勵磁電流峰值ipk在死區內，能讓對應開關管充放電完全，其關系式為：

式（3）中，Vin為輸入電源電壓，Cx為開關管的DS結電容，td為死區時間。

綜合上述分析可知，勵磁電感Lm的選取同時影響諧振變換器的電流回路損耗以及軟開關的實現，且二者關系矛盾。故折中處理選取Lm為：

圖3 直流增益G隨ωn變化曲線

3 實驗驗證

在這一部分，搭建了一個500W實驗樣機來驗證理論分析。主功率MOSFET采用IPW65R080CFD，開關頻率98kHz，諧振電感Lr1/Lr212uH，諧振電容Cr220nF，勵磁電感Lm1/Lm280uH，二極管采用C4D05120E。

圖4為三電平組合式LLC諧振變換器開關頻率為80kHz時的實驗波形圖。圖4(a)示出了諧振電感器電流iLr1與iLr2以及Q1開關管的驅動電壓波形，圖4(b)示出了次級側電流is和輸出電壓Vo的實驗波形。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，因此實現了主開關的ZVS操作。同時，iLr1與iLr2近似相等，組合式諧振腔實現了良好的均流效果。此外，在整流器的相應關斷信號到來之前，次級側電流is減小到零，因此次級整流器沒有反向恢復問題，并且實現了ZCS操作，且輸出電壓穩定。

圖4 三電平組合式LLC實驗波形

結論：傳統的LLC諧振變換器采用頻率控制或相移控制來調節輸出電壓，其開關頻率工作范圍寬、電磁干擾性能差、磁元件和驅動電路設計復雜。本文提出的三電平組合式LLC諧振變換器可以解決上述問題。本文對三電平組合式LLC諧振變換器進行了分析，包括系統拓撲結構、運行分析、電壓增益和軟開關操作，在此基礎上提出了三電平組合式LLC諧振變換器的設計方法。通過采用所提出的方法，可以分別實現初級開關和次級整流器的ZVS操作和零電流操作以及通過組合式分流實現功率提升。最后，給出實驗結果驗證了理論分析的有效性與實用性。