雙向LLC諧振變換器的設計與仿真

趙紀 朱飛宇 荊禹鑫 馬崢 鐘欣蒙

摘要：本文對新能源發電系統用雙向LLC諧振變換器進行具體研究，首先對雙向LLC諧振變換器的工作原理進行了分析，并對諧振參數進行了設計，最后，對雙向LLC諧振變換器在PLECS平臺進行仿真分析，搭建1000w，400V/48V的實驗樣機，對實驗結果進行分析，證實了理論分析和設計方法的正確性，實現了對新能源發電系統用雙向LLC諧振變換器的控制。

關鍵詞：雙向 LLC諧振變換器;諧振參數;PLECS仿真

1.引言

現如今，由于世界各國的需求越來越大，價值也在不斷提高，LLC諧振變換器開始進入一些相關技術人員的研究視線范圍內。現階段，相關技術人員對于LLC諧振變換器的分析基本上都是通過模擬控制的方法。但模擬控制存在很多問題，包括系統的靈活性比較差，結論的可靠性不高，還有其中涉及到的電路都比較繁瑣復雜。相對的，數字控制對于復雜的電路具有很好的簡化作用，對于一些電子元器件產生的接觸不良或者電磁影響，它也能進行很好的檢測和排除[1]，因此對LLC諧振變換器的數控研究是當下一大緊迫任務。

2.基本原理

由圖1-1可知，雙向LLC諧振變換器主電路是互相對稱的兩個結構，其中D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8：中的IGBT為開關管;C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8：為寄生電容;L3為勵磁電感;Lr1、Lr2為諧振電感（Lr1=n2Lr2保持同樣的方向特性）;Cr1、Cr2為諧振電容（Cr1=Cr2/n2保持同樣的方向特性）;

n為變壓器變化比例（n=V1/V2）[2]。

變換器分為兩個部分：原邊和副邊。其中，原邊與直流母線相連，輸入電壓為V1;副邊與發電端或者負載端相連，輸出電壓為V2。由圖1-1的拓撲結構可以看出，變壓器分為左右兩側。其中，左側為高壓側，右側為低壓側。正方向：能量或者電力從高壓側流向低壓側的運行模式。反方向：能量或者電力從低壓側流向高壓側的運行模式。

當變換器經歷正方向運行模式的時候：開關管D1、D2、D3、D4接收到占空比為50%的互補驅動信號，實現逆變功能，此時，開關管D5、D6、D7、D8沒有接收到驅動指令，保持停止狀態，通過D5、D6、D7、D8中的二極管部分實現整流操作。當變換器經歷反方向運行模式的時候：可將勵磁電感等效到變壓器副邊，則結構與正向工作時完全相同，不管變壓器處在哪種工作模式下，都能保證輸入側功率開關實現ZCS開通，輸出側整流二極管ZCS關斷。

這樣的雙向LLC諧振變換器不僅將一般的LLC諧振變換器的優點保留下來了，還能夠根據將內部電路系統進行檢測優化，使得諧振變換器主電路對稱起來，正反方向的運行模式變得一直便于對雙向LLC諧振變換器分析與設計。同時，無論諧振變換器正在經歷哪個運行過程，都可以滿足—端功率開關管的ZVS，另一端整流體二極管保證ZCS。因為雙向LLC諧振變換器的系統電路結構處于對稱的狀態，所以他們正反向的工作原理是一樣的[3]。

2.器件選型、參數計算

雙向LLC諧振變換器的具體參數設計指標為：

高壓側電壓V1：400V

低壓側電壓V2：48V

諧振頻率fr ：100kHz

正向工作的滿載功率1000W

反向工作的滿載功率1000W

工作頻率的范圍為60kHz--100kHz

最大增益為1.05

之后根據設計指標進行計算參數：

根據AP法對磁芯進行選擇，最后確定變換器的磁芯為G36型號的罐型磁芯，其Aw=3.45cm2，Ae=2.02cm2，滿足設計要求。

最大品質因素Qmax為：

M為諧振槽路增益，在選取品質因數的時候應該保留一定裕度，所以選擇Qmax的百分之五九十五，即Q=0.15當k和Q的值確定后可根據公式（2-2）進行計算。

諧振電容Cr：

進而可得低壓側諧振電容Cr2為。

令變壓器變比n為25：3。高壓側勵磁電感Lm為，高壓側諧振電感Lr1為：

低壓側諧振電感Lr2為：

最后，利用所得到的雙向LLC諧振變壓器的具體參數進行仿真分析。

3.仿真結果及結論

從圖3-1可以看出，雙向LLC諧振變換器在正向運行的時驅動信號Vgs降低至0時，開關管兩端電壓信號Vds為零，實現了ZVS，從而得知選取的參數是可行的。副邊二極管實現ZCS[4]。

參考文獻：

[1]朱立泓.LLC諧振變換器的設計[D].浙江大學，2006.

[2]胡海兵，王萬寶，孫文進，丁順.邢巖.LLC諧振變換器效率優化設計[J].中國電機工程學報，2013，（18）：48-56+16.

[3]戈現勉.高效率LLC諧振變換器研究[D].浙江大學，2015.

[4]劉和平.陳紅巖，苗軼如，李金龍，彭東林.混合式LLC電路諧振與同步整流數字式控制[J].中國電機工程學報，2015，（09）：2272-2278.