LLC諧振式DC/DC變換器的研究

芮 彬

（南京磁谷科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 前言

汽車產業可以視為推動我國國民經濟良好發展的支柱型產業，該產業不僅對我國社會經濟發展產生了至關重要的影響，同時也對我國汽車領域的長足發展產生了至關重要的影響。近些年來，隨著我國汽車領域的不斷發展，以電動汽車為首的汽車類型逐漸成為汽車市場發展的主流趨勢。其中，國務院及相關部門針對新能源汽車產業的發展規劃提出了明確的要求[1]。并在部署規劃中反復強調電動汽車產業對我國經濟社會發展所起到的重要作用。因此，可以把電動汽車看作是我國汽車行業未來的發展趨勢。對于電動汽車來說，充電樁是其重要的組成部分。充電樁主要由兩級結構組成；其中，后級電路的結構與控制情況往往會對充電系統整體的應用性能產生至關重要的影響；同時，也會對蓄電池的使用壽命產生至關重要的影響。而DC/DC變換器作為后級電路的重要組成部分，它的性能情況往往會對充電速度及效率產生一定影響，因此，必須高度重視對DC/DC變換器的研究。

1 LLC諧振式DC/DC變換器的應用發展研究

1.1 DC/DC變換器的應用現狀

結合當前充電樁的應用情況來看，充電樁系統必須滿足在高壓大功率場合應用的需求，且在輸出方面也應該處于連續可調的狀態，這樣才能確保充電樁的良好應用。為了滿足該運行要求，在后級的DC/DC環節中，設計人員應該優先利用高頻隔離型變換器進行操作應用。一般來說，高頻隔離型變換器的拓撲結構可以從單級拓撲結構與雙級拓撲結構2個類型進行研究與分析。其中，單級拓撲結構在變換器結構的組成方面，主要由正激/反激、移相全橋以及LLC諧振半橋/全橋等組成。在正式應用過程中，反激變換器結構較為簡單且易操作，但是該變換器結構只適用于小功率場合，無法滿足充電樁的運行需求。

正激變換器、移相全橋變換器在使用過程中都會出現不同程度的隱患，難以滿足充電樁安全運行的需求。相比于上述幾種類型的變換器，LLC諧振變換器的優勢較為突出，例如LLC諧振變換器不僅可以滿足寬輸入電壓的要求，同時還可以確保開關管始終處于零電壓開關（ZVS）的模式；最重要的是，二次側的整流二極管也能滿足零電流關斷的需求，可以有效地減少其他變換器運行期間存在安全隱患的問題。但是需要注意的是，LLC諧振變換器在應用過程也存在某些問題，例如系統調節頻率變化表現較大，導致LLC參數設計以及控制方法設計存在一定難度[2]。

1.2 LLC諧振式DC/DC變換器的應用原理及優勢

從客觀角度來看，LLC諧振式DC/DC變換器電路的開關過程主要是通過引入諧振效應來滿足軟開關工作的需求，例如當電壓或電流處于過零狀態時，控制開關管可以自動導通或者關斷，從而有效地減少開關損耗的問題。一般來說，軟開關技術在應用層面上可以從零電壓開通與零電流關斷2個方面進行研究與分析；其中，開關管在軟開關以及硬開關通斷的狀態下表現出來的運行原理不同，如圖1、圖2所示。

圖1 硬開關狀態電壓電流示意圖

從圖1和圖2可以看出，合理應用軟開關技術可以大幅度地提高開關電源工作的頻率。與此同時，合理應用軟開關技術還可以大幅度地提高變換器的效率和功率密度。最重要的是，軟開關技術在一定程度上減少了電磁干擾（EMI）與開關噪聲的問題，具有重要的應用價值。結合以往的研究經驗來看，軟開關技術在拓撲結構方面主要以傳統諧振的串聯諧振變換器以及并聯諧振變換器的方式進行操作應用。但是由于這2種方式在寬輸入電壓范圍存在較大的缺陷（例如電壓增益范圍受限問題明顯、關斷損耗問題嚴重等），會導致在具體應用過程中，容易出現效益損失的問題。

圖2 軟開關狀態電壓電流示意

近幾年，為了解決該問題，行業內部人員主張利用多諧振變換器運作的方式，將電感與電容混合連接，初步解決了傳統串聯諧振變換器與并聯諧振變換器存在的缺陷。出現上述缺陷的原因主要是由于諧振變換器在電感與電容方面需要按照實際運行需求采取不同的排列方式，從而導致存在多種拓撲結構，例如LLC、LCC等。除此之外，多諧振變換器在重載作用下可以具備良好的串聯諧振變換器（SRC）變換器特性；在一定負載范圍內可以發揮自身良好的調節能力，確保變換器的運行安全[3]。

目前，以半橋LLC諧振變換器為首的多諧振變換器已經在各生產領域中得到了廣泛地推廣與應用。根據應用反饋情況來看，作業人員可以利用半橋LLC諧振變換器拓撲結構的優勢以及軟開關的特性，減少以往變換器工作效率低下以及工作質量不高的問題。最重要的是，半橋LLC諧振變換器在拓撲驅動控制模塊有多種表現，可以為變換器的操作運行提供良好的保障。即使是該拓撲結構存在上下橋臂結構的問題，導致開關管控制相對復雜，但是從整體應用效果上來看，變換器還是可以為系統結構提供良好的運行性能。

2 LLC諧振式DC/DC變換器拓撲結構設計與分析

為了滿足變換器高功率密度與高功率等級的設計需求，在具體設計過程中，設計人員要針對LLC諧振式DC/DC變換器的拓撲結構進行重點研究與設計。其中，在設計DC/DC環節時，主要利用兩級結構模式進行綜合設計與分析。前級主要利用半橋式LLC諧振式串聯方式進行連接處理，并結合寬輸入電壓范圍以及全輸出復負載范圍，實現軟開關的應用性能[4]。對后級結構的設計，主要利用C-UK電路交錯并聯級聯方式進行交互連接，以便進一步增大系統電壓增益效果及調節范圍。

2.1 半橋LLC工作模態分析

該節主要針對兩級DC/DC變換器的前級半橋LLC結構設計問題進行闡述與研究。一般來說，兩級DC/DC變換器的前級半橋LLC結構在元器件的組成方面，主要以上下橋臂的開關、和諧振電容以及諧振電感等為主。其中，變壓器原邊的勵磁電感可以為半橋LLC結構的運行提供良好的保障。變壓器副邊結構，主要是由2個匝數相同的繞組構成的，主動結合低導通阻抗開關管形成了同步整流電路體系。這樣一來，不僅可以有效地減少導通過程的損耗問題，同時還可以為后級電路穩定輸入電壓提供良好的保障[5]。

2.2 半橋LLC參數優化設計

在半橋LLC參數優化設計方面，該文主要利用基波分析假設法將交變換器工作狀態設定為臨界連續狀態。該設置的主要目的在于確保勵磁電感可以保持鉗位狀態，同時不參與諧振過程。結合相關原理可知，當開關管的工作頻率與偏離諧振頻率保持一致時，勵磁電感所參與的諧振時間會明顯增加；這樣一來，會直接導致系統的工作狀態從臨界模式轉變為斷續模式。隨著工作狀態的不斷改變，輸出側的交流等效阻抗也會發生一定變化，容易導致實際結果與預期存在較大偏差。因此，斷續模式理論無法滿足系統設計的需求。為了及時解決該問題，在半橋LLC參數優化設計過程中，研究人員可以利用功能危險性分析法（FHA分析方法）進行優化，獲取更加精確的數據內容。

在改進處理過程中，該文主要利用MATLAB的編程方法來實現自動計算的過程。根據實際應用的反饋情況來看，改進后的增益模型不僅可以滿足電流在斷續模式狀態下數值的精確性，而且還可以滿足傳統FHA方法的應用原理，具有重要的應用價值。最重要的是，改進后的增益模型在運行精確度方面有了大幅度的提高，這為后續參數優化的工作提供了較大的便利。在正式應用過程中，設計人員需要根據系統需求輸入合理參數，并根據相應參數求得變壓器匝比值和變換器的增益范圍；并在該基礎上，選擇合適的電感系數，確定變換器工作頻率的區間范圍[6]。

2.3 軟開關特性分析

利用半橋LLC變換器作為前級DC/DC環節的根本目的是為了實現軟開關的應用功能，確保開關管的零電壓與整流開關管零電流始終保持穩定的工作狀態。這樣一來，既可以減少系統損耗的問題，又可以實現對系統增益大小的調節管理。由于LCC變換器存在LCC諧振回路的問題，因此可能會導致電流與電壓波形之間出現明顯的相位差。從相關理論推導來看，當諧振電流明顯低于諧振電壓時，變換器將處于軟開關的工作狀態中。除了諧振頻率之外，品質因素也可能會對電壓的增益問題產生直接影響。因此，選擇合適的品質因素不僅可以滿足軟開關的增益范圍，同時還可以實現對LLC變換器的控制管理。

2.4 損耗分析

在半橋LLC諧振變換結構體系當中，內部元器件主要是由開關管、電感、電容以及變壓器等構成。在上述元器件的相互作用下，可以實現零電壓導通；最重要的是，該過程所造成的系統損耗問題較小，可以滿足節能降耗的需求[7]。

3 C-UK變換器與穩態均流問題的研究分析

3.1 C-UK變換器分析與設計

在該系統結構中，對后級結構的選用主要以C-UK變換器為后級結構。在后級結構組成方面，該系統主要利用2個C-UK模塊以并聯方式進行連接處理。根據C-UK變換器的工作原理以及參數情況（如圖3所示），來確定系統運作的模式和實際需求。因為C-UK變換器輸入端與輸出端均存在電感器件，所以，在正式運行過程中，可以明顯減少輸出電流與輸入電流的問題，起到了濾波的作用。C-UK變換器與前級變換器不同，其主要利用連續模式進行運行，在應用中可以表現出電壓增益的效果。除此之外，電路中電感值表現較大，濾波效果顯著且EMI數值較小。

圖3 C-UK變換器等效電路示意圖

3.2 交錯并聯C-UK變換器的均流分析

在該文研究分析的過程中，后級C-UK變換器主要利用交錯并聯結構實現在實際環境中的應用。其應用優勢主要表現在以下3點：1） 在相同輸出效率條件下，交錯并聯結構一般不需要借助較大的電感進行操作運行。2） 在開關頻率恒定不變的條件下，輸出電壓紋波頻率會隨著相數的增加而發生明顯改變。3） 多相并聯拓撲結構可以明顯減少每一相所承受的電流應力，還可以增強選型的自由度效果，且擁有良好的熱量管理效果。最重要的是，它還可以大幅度減少以往設計方法存在的能耗問題，具有一定的實行價值。

4 結論

該文主要針對LLC諧振式DC/DC變換器的拓撲結構設計問題以及優化問題進行研究與分析。其中，為了確保直流變換器運行的穩定性與高效性，在前級結構設計方面主要利用半橋串聯LLC諧振結構的方法實現了軟開關設計的需求。同時，在上下開關管所涉及的電壓應力問題較小，可以有效地減少開關損耗的問題。此外，在選擇后級變換器時，系統結構主要采用交錯并聯的方式，初步滿足了升降壓功能，可以滿足充電樁對輸出電壓的需求。綜上所述，雖然該文所研究的方法在細節設計上并不完美，但是從實踐應用的角度來看，該方法具有較強的可操作性，值得推廣與應用。