高效率LLC諧振變換器的定頻混合控制策略分析

余志豪

（湖北工業大學 湖北省武漢市 430068）

目前在全世界范圍內都非常重視新能源產業的發展，這能夠很好的解決面臨的能源和環境問題，電動汽車在使用過程中，對環境是非常友好的，所以得到了很好的發展。電動汽車的應用推動了充電樁的發展，相關人員也非常重視對其進行研究，車載電池往往存在著比較廣泛的電壓變化范圍，所以在設計相應的變換器時，往往會面臨著很大的挑戰。

1 LLC諧振變換器工作原理

本文以全球LLC 諧振變換器拓撲為例，其中公式（1）為電壓增益，前提條件是變頻模式。

其中，無限的輸入電壓以及負載兩端電壓分別用UinUout表示；諧振電感與勵磁電感之間的比值用k 表示；副邊等下倒圓邊的電阻用Q 表示；變壓器匝比為N。

電池的荷電狀態如果出現改變，那么會影響到車載電池阻抗，如果需要充電，那么電池的輸入電壓會出現相應的變化。電壓的增益曲線與開關頻率存在著相應的變化關系。增益曲線如果出現了下降的趨勢，那么開關頻率是比較大的。開關頻率要想很好的滿足輸入電壓的有關需求，那么需要在相應的范圍內出現變化。在對諧振網絡參數進行設計時，往往會受到開關頻率寬范圍變化的影響，而面臨著很大的設計難度。在對諧振參數進行設計時，采取定頻變模式混合控制措施，能夠很好的對上述問題進行解決。

2 定頻變模式混合控制策略

在傳統的控制措施下，要想使LLC 諧振變換器，滿足電池寬輸入電壓的有關要求，就需要減小電感比。變換器的功率密度能夠通過諧振電感值的增大而減小。諧振網絡電流的有效值會隨著勵磁電感值的減小而增加，與此同時變換器的損耗也會有一定程度的增大。因此傳統的變頻控制措施不能夠實現高效率和高功率密度的工作。要想很好的解決變頻控制措施中存在的不足之處，可以使用定頻變模式混合控制措施，在此過程中能夠對直流電壓增益進行科學合理的判斷，根據實際情況切換不同的模式，如果直流電壓增益比1 小，那么可以切換為定頻移相控制策略，否則切換為電母線電壓控制策略。

2.1 母線電壓自適應控制策略

在應用母線電壓自適應控制措施時，要了解相應的工作原理。在諧振頻率點上工作的是后級LLC 諧振變換器，在此過程中，前級pfc 變換器會輸出相應的電壓參考值，通過對參考值進行改變，能夠提升變換器的工作效率，輸出電壓也能夠得到很好的調節，傳導損耗以及勵磁損耗也能夠得到減小。在對電池電壓進行采樣時，一般情況下會采用隔離電壓傳感器，如果需要對pfc 及參考電壓進行計算，那么可以根據公式2，在此過程中，電池電壓如果出現變化，那么直流母線電壓也會受到相應的影響而出現改變。在諧振頻率處，如果是后級逆變器開關頻率工作，那么能夠消除一些損耗，提升工作的效率。

VD--次級二極管壓降；

Ubusref--母線參考電壓；

Uoref--負載兩端參考電壓。

2.2 定頻移相控制策略

如果電壓增益比1 要小，并且采用的是傳統的控制措施，那么要想對輸出電壓進行減小，就需要增大開關頻率。輸出電壓的調節范圍與增益曲線的下降趨勢有很大的聯系，如果開關頻率比較大，那么電壓的調節范圍就會受到限制。諧振網絡電感比如果減小，那么增益曲線的下降趨勢也會出現增加的情況，但是此時的變換器損耗會有一定程度的增加，功率的密度也會降低，電磁干擾和諧波現象會隨著開關頻率的增大而越發的明顯，這給變壓器的設計工作帶來了困難。在此基礎上，該文章探討了定頻移相控制措施。

該文章主要針對不同的模態進行了分析，分析的周期為半個工作周期。

（1）模態1(t0-t1)：在t0時刻，如果需要對變壓器副邊供電，那么開關需要導通，電流差值能夠起到供電的作用。輸出電壓會影響到勵磁電感，最終會被箝位到N=(Uout+VD)，此時的勵磁電流會出現增長。

（2）模態2(tl-t2)：該種模態是在t1 時刻下進行分析的，此時的Q1 是關斷狀態，起到充電作用的是諧振電流，為了實現Q3零電壓開通，需要與二極管并連續流。

（3）模態3(t2-t3)：這種模塊是在t2 時刻下進行分析的。在此狀態下，副邊是能夠接收到能量的，Q3 為0 電壓開通，此時的諧振網絡是沒有進行供電的，諧振電流此時是比較大的，但是有所下降。

（4）模態4(t3-t4)：該種模態是在t3 時刻下進行分析的。在諧振過程中：電感以及電容等都參與其中，由于勵磁電感的值比較大，而諧振頻率比較小，因此諧振電流不具有明顯的快速的上升趨勢。此時的副邊不能夠繼續傳遞能量，二極管出現了零電流關斷的情況。

（5）模態5(t4-t5)：該模態是在t4 時刻下進行分析的。Q4和Q2并聯電容在充放電過程中，主要是諧振電流起到了作用。二極管會與Q2 并聯續流，實現零電壓開通。

（6）模態6：該種模態是在t6 時刻下進行分析的，此時會進入下半個周期，工作的原理與上述是相同的。

3 LLC諧振變換器損耗分析

LLC 諧振變換器，在具體工作過程中，提升其效率是至關重要的，在此過程中，原邊側和副邊側的導通損耗都會影響到變換器的效率。

3.1 對傳導損耗的影響

LLC 諧振網路中的輸入方波電壓可以通過傅里葉進行展開，可以參加（6），此時在諧振頻率fr處，會有逆變器開關管工作，該處的帶通濾波器可以與諧振網絡等效。在分析變換器效率時會受到諧振電流的影響，此時可以對變換器內部的環流進行忽略，這樣才能夠保證分析的便利。

3.2 諧振網路參數對關斷損耗的影響

諧振變換器效率往往會受到開關管的光電損耗，這主要是因為開關管能夠實現零電壓開通。關斷損耗可以參見下式：

tfall--開關管的關斷時間；

CHB--半橋的等效電容值；

Ioあ--開關管關斷時電流值；

通過上述數字可以看出，要想對開關管的關斷損耗進行減小，可以對勵磁電感值進行增大。

3.3 對磁芯損耗的影響

鐵磁物質在具體工作過程中會消耗能量，這種現象稱為磁芯損耗，這同樣會對效率產生很大的影響。諧振電感以及變壓器都屬于鐵磁材料，相應的損耗可以通過下列式子進行計算：

ΔB--磁感應強度擺幅。磁感應強度百伏主要決定的是磁性的損耗，前提條件是材料的類型固定。

4 LLC諧振變換器參數設計

要想很好的實現輸出電壓寬范圍變化，要在變頻控制的措施下，采取開關頻率的調節措施。如果負載比較輕，那么需要對輸出電壓進行減小，此時要增大開關頻率，但是開關損耗會有所增加。如果負載比較重的情況下減小開關的頻率，那么導通損耗會有一定程度的增加，此時的諧振網絡環流也會增大。該文章所探討的是開關頻率固定的條件下，對變頻控制測試中存在的問題進行解決。電壓增益對頻率的變化是比較敏感的，為了極大的減少該種敏感的程度，需要對電感比值進行增大，這樣能夠保證增益曲線的變化是比較緩慢的，在此過程中需要對勵磁電感和諧振電感進行增大。要想保證變換器的磁集成度得到提升，就要保證變壓器漏感來提供諧振電感，此時需要對相應的參數設計值進行調整。要想提升傳輸的效率，可以通過諧振電流的減小以及地磁電感的增大來實現。在對變壓器的磁芯窗口的有效面積進行計算時，可以參考下列式子。由此可以看出，變壓器的體積能夠通過勵磁，電感值的增大而減小，最終能夠實現功率密度的提高。

Kf--波形系數；

Kj--電流密度；

Irms1--變壓器初級電流有效值；

Irms2--變壓器次級電流有效值；

Tr--諧振頻率fr的倒數；

由以上可知，要想對變換器的功率密度以及傳輸效率進行提升，可以對勵磁電感值進行增大，此時的諧振電流值會出現一定程度的減小，因此，在此過程中需要在規定的時間內完成電容的充放電。諧振電流最小的情況下，移相角θ 是比較大的。

5 實驗結果

若工作模式為定頻變母線電壓，輸出電壓和輸入電壓分別為30 伏，250 伏。則其二極管反向恢復損耗得到了相應的減小，功率開關為零電壓開通。逆變器的輸出電壓比諧振電流提前，開關管為零電壓開通，二次側整流管為零電流關斷。通過實驗可以看出，在文章所探討的控制措施具有正確性。

該文章在探討相應的諧振網絡參數時，輸入輸出條件是相同的，對不同的模式下的參數進行了相應的對比。由此可以得出，該文章所探討的母線電壓自適應控制措施能夠在重載的情況下，能夠很好的固定逆變器的開關頻率，變頻控制模式下的環流也得到了很好的減少。在額定工作時，相應的諧振電流能夠通過該文章提出的寫著網絡參數設計方法，得到相應的減少，與此同時，工作效率也能夠得到提升。

6 結束語

由以上可知，該文章基于車載鋰電池寬電壓特性而提出的混合控制措施，能夠很好的保證變換器轉換效率的提升。母線電壓自適應控制措施主要適用于電壓增益大于等于1 的情況。定頻移相控制策略主要適用于電壓增益小于1 的情況下，在此情況下，能夠對輸出電壓的變化進行相應的調整。該文章探討的控制策略主要是在諧振頻率處進行探討的。勵磁電感參數會影響到諧振變換器的傳輸效率，在此基礎上能夠對相應的網絡參數進行優化設計。通過上述實驗可以看出，在定頻變模式混合控制策略下，相應的傳輸效率要比傳統的控制策略要高，解決了相應的零電流關斷問題，提高了整體的傳輸效率以及功率密度。