基于二階擬合模型的SiC雙向LLC數(shù)字同步整流控制

李浩然 崔超輝 王生東 張之梁 胡存剛

基于二階擬合模型的SiC雙向LLC數(shù)字同步整流控制

李浩然1崔超輝1王生東2張之梁3胡存剛1

（1. 安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 合肥 230039 2. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所 南京 210016 3. 南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院 南京 211106）

傳統(tǒng)LLC同步整流控制采用高頻信號檢測的方法，易受高d/d影響導(dǎo)致占空比丟失，導(dǎo)通損耗增大；而直接給定占空比的方法，無法跟隨負(fù)載變化，寬負(fù)載范圍下導(dǎo)通損耗急劇上升。該文提出基于二階擬合模型的SiC雙向LLC數(shù)字同步整流控制，跟蹤負(fù)載和開關(guān)頻率的變化，實(shí)時(shí)計(jì)算同步整流導(dǎo)通時(shí)間。LLC一次側(cè)和二次側(cè)開關(guān)管開通時(shí)刻一致，同步整流管關(guān)斷時(shí)刻由所計(jì)算的同步整流導(dǎo)通時(shí)間決定。在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低導(dǎo)通損耗，無需檢測高頻信號，抗干擾性強(qiáng)。該文分析當(dāng)諧振電感和輸出等效電阻存在10% 誤差時(shí)，同步整流導(dǎo)通時(shí)間誤差最大僅為2.73%。搭建6.6kW SiC雙向LLC充電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提同步整流控制的有效性。相比于傳統(tǒng)LLC同步整流控制，所提控制正向滿載6.6kW下效率提高了0.36%，反向滿載3.3kW下效率提高了0.29%。

LLC變換器 同步整流 雙向 SiC MOSFET 擬合模型

0 引言

LLC諧振變換器具有寬零電壓軟開關(guān)（Zero Voltage Switching, ZVS）和零電流軟開關(guān)（Zero Current Switching, ZCS）的優(yōu)勢，且勵(lì)磁電感可集成在變壓器中實(shí)現(xiàn)高功率密度，是近年來備受關(guān)注的隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一[1-2]。結(jié)合具備高頻、高壓優(yōu)良特性的寬禁帶器件，LLC變換器可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)極高的效率和功率密度，廣泛應(yīng)用在電動汽車、儲能系統(tǒng)及光伏系統(tǒng)中[3-4]。

同步整流（Synchronous Rectifier, SR）技術(shù)是采用MOSFET代替整流二極管，可顯著降低整流導(dǎo)通損耗，是實(shí)現(xiàn)LLC變換器高效率的最有效方法之一。理想情況下，當(dāng)電流流過SR管體二極管時(shí)，控制器立刻驅(qū)動SR MOSFET導(dǎo)通，使電流從體二極管轉(zhuǎn)移到MOSFET溝道中。當(dāng)SR管導(dǎo)通電流為零時(shí)，驅(qū)動信號立刻關(guān)斷SR MOSFET，防止功率回流。

現(xiàn)有LLC變換器同步整流方法常分為兩類：第一類是通過測量高頻電壓/電流信號的方法，控制同步整流管的開通或關(guān)斷；第二類是非直接測量方法，直接給定同步整流占空比或通過建模計(jì)算導(dǎo)通占空比。

第一類方法中，通過測量一次側(cè)諧振腔電流或SR管的漏源極電壓或電流，控制SR管開通或關(guān)斷。文獻(xiàn)[5-6]中，利用電流互感器檢測一次側(cè)諧振電流，實(shí)現(xiàn)對SR管的控制。文獻(xiàn)[7]中，采用電流互感器檢測變壓器二次電流，控制同步整流管開通或關(guān)斷。然而，利用傳感器測量電流的方案，需額外的電流傳感元件，損耗較大，且電流互感器增加了變換器的體積。文獻(xiàn)[8]中，基于LLC變換器一次側(cè)諧振電流和輸出電壓控制同步整流管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)同步整流策略。但在過諧振或完全諧振的情況下，同步整流和一次側(cè)驅(qū)動完全同步，導(dǎo)致不同負(fù)載下占空比存在丟失，使得同步整流管導(dǎo)通損耗增加，效率降低。

文獻(xiàn)[9]中，通過測量SR管的漏源極電壓來控制功率管開通和關(guān)斷，檢測漏源極電壓同步整流策略如圖1所示。當(dāng)漏源極電壓低于導(dǎo)通閾值時(shí)，說明此時(shí)體二極管有電流流過，檢測芯片輸出驅(qū)動信號使其導(dǎo)通。關(guān)斷時(shí)，通過判斷漏源極電壓的大小，控制同步整流管關(guān)斷。文獻(xiàn)[10]也是通過測量漏源極電壓來實(shí)現(xiàn)同步整流功能。它有精確的關(guān)斷閾值和低導(dǎo)通時(shí)間，最高工作頻率達(dá)1MHz。然而，該芯片測量的最大電壓僅為200V，更高電壓下便難以有效工作。文獻(xiàn)[11-14]的原理是類似的，均通過測量漏源極電壓來控制SR管。

圖1 檢測漏源極電壓同步整流策略

上述方法在低電壓下是有效的（幾十V），但在高電壓下并不適用（高達(dá)700V）。高d/d下，寄生電感極易影響檢測電路的準(zhǔn)確性。檢測電路也增加了變換器的復(fù)雜性和成本，特別是在雙向LLC應(yīng)用中。

文獻(xiàn)[15]中采用模擬同步整流芯片實(shí)現(xiàn)同步整流功能。同步整流芯片最大耐壓為200V，但在漏源極上采用電阻分壓的方案，漏源極電壓經(jīng)過分壓后送入同步整流芯片檢測口。通過調(diào)整分壓電阻的比值，可實(shí)現(xiàn)同步整流芯片在高于200V電壓的情況下工作。但是，該方案對分壓電阻的精度要求較高，多個(gè)分壓電阻值之間的誤差，可能導(dǎo)致SR芯片輸出驅(qū)動不同，影響電路正常工作。

第二類方法是非直接測量方法。文獻(xiàn)[16]中，將同步整流管占空比與輸出電壓的乘積視為常數(shù)，計(jì)算輸出電壓變化時(shí)的同步整流占空比。但它不適合電動汽車動力電池充電的應(yīng)用場景，因?yàn)楫?dāng)電池電壓增加時(shí)，同步整流占空比會不斷下降，這是不準(zhǔn)確的。文獻(xiàn)[17]利用LLC變換器的仿真模型，對同步整流管的開通和關(guān)斷延遲時(shí)間進(jìn)行仿真，并在兩個(gè)查找表中預(yù)置開通和關(guān)斷延遲時(shí)間，優(yōu)化系統(tǒng)效率。但是，當(dāng)LLC變換器諧振參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，需要重新建立查找表，通用性較差。且該方法只考慮輸出電流，忽略電池電壓變化，不能反映實(shí)際輸出功率，因此所輸出的同步整流驅(qū)動信號精度有待進(jìn)一步提高。

在文獻(xiàn)[18-19]中，提出了兩種相似的同步整流驅(qū)動方案，直接給定了同步整流管的導(dǎo)通時(shí)間。但該方法忽略了負(fù)載的變化，同步整流占空比存在丟失，使得同步整流MOSFETs的體二極管導(dǎo)通時(shí)間較長，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗較大、效率不高。文獻(xiàn)[20]中，同步整流導(dǎo)通時(shí)間只考慮了開關(guān)頻率，忽略了負(fù)載變化，導(dǎo)致寬范圍負(fù)載下，效率有待提高。

針對現(xiàn)有同步整流方案存在的檢測電路復(fù)雜、抗干擾性弱以及同步整流導(dǎo)通占空比精度不高的問題，本文提出了基于二階擬合模型的SiC雙向LLC數(shù)字同步整流控制策略。通過在頻域建立同步整流導(dǎo)通時(shí)間的解析模型，利用二階多項(xiàng)式擬合原始復(fù)雜模型，簡化計(jì)算同步整流導(dǎo)通時(shí)間，具備控制簡單、抗干擾性強(qiáng)和SR導(dǎo)通時(shí)間精度高的優(yōu)點(diǎn)。最后，基于所搭建的6.6kW SiC雙向LLC充電機(jī)平臺，驗(yàn)證所提同步整流控制的有效性。

1 基于二階擬合模型的SiC雙向LLC數(shù)字同步整流控制

為提高雙向LLC變換器效率，提出了基于二階擬合模型的SiC雙向LLC數(shù)字同步整流控制。該控制通過準(zhǔn)確計(jì)算同步整流管導(dǎo)通時(shí)間，從而顯著降低同步整流管導(dǎo)通損耗，進(jìn)一步提高效率。

1.1 基于二階擬合模型的LLC同步整流正向控制

正向模式下，所提基于二階擬合模型SR控制策略如圖2所示。圖2中，Dfor為SR導(dǎo)通時(shí)間；r為諧振頻率；s和o分別為開關(guān)頻率和等效輸出電阻；00～02和00～02均為擬合常數(shù)；on_Q和on_s分別為一次側(cè)和二次側(cè)驅(qū)動的開通時(shí)刻；off_s為二次側(cè)驅(qū)動的關(guān)斷時(shí)刻；r和m分別為諧振電流和勵(lì)磁電流；S1和S2分別為S1和S2的導(dǎo)通電流；ref和ref分別為電流參考和電壓參考值；PI為比例積分控制器。Q1～Q4和S1～S4均為MOSFETs，采用了數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter, ADC）進(jìn)行采樣，LLC變換器正向運(yùn)行波形如圖3所示。由圖3可知，所提SR控制通過建立二階擬合模型，考慮開關(guān)頻率s和輸出等效負(fù)載o的變化，實(shí)時(shí)計(jì)算同步整流管導(dǎo)通時(shí)間。一次側(cè)開關(guān)管驅(qū)動信號和二次側(cè)開關(guān)管驅(qū)動信號的開通時(shí)刻是相同的，但同步整流管關(guān)斷時(shí)刻由計(jì)算出的SR導(dǎo)通時(shí)間決定。因此，同步整流導(dǎo)通時(shí)間可根據(jù)開關(guān)頻率或輸出負(fù)載的變化而變化。

圖2 所提基于二階模型的正向LLC同步整流控制

圖3 正向LLC變換器波形

LLC變換器的輸入電壓為380～700V，輸出電壓調(diào)節(jié)為200～500V。在雙向LLC變換器中，采用SiC MOSFET，充分利用其高電壓和高開關(guān)頻率的特性。LLC諧振頻率在滿載6.6kW時(shí)高達(dá)300kHz。

從圖3可得，隨著負(fù)載和開關(guān)頻率的變化，所提同步整流控制可實(shí)時(shí)計(jì)算同步整流導(dǎo)通時(shí)間，降低同步整流管的導(dǎo)通損耗，優(yōu)化效率。更高開關(guān)頻率下，通過增加控制周期的時(shí)間，降低同步整流計(jì)算時(shí)間的占比，保證閉環(huán)運(yùn)算和同步整流導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算的完成。

英飛凌公司采用的傳統(tǒng)單向同步整流方法，只考慮開關(guān)頻率變化[20]，寬負(fù)載范圍下的效率有待進(jìn)一步提高。本文所提同步整流控制同時(shí)考慮開關(guān)頻率和負(fù)載變化實(shí)時(shí)調(diào)整同步整流導(dǎo)通時(shí)間，效率更高。并且所提控制是基于數(shù)學(xué)模型，無需測量任何高頻信號，不會受到高開關(guān)頻率噪聲的影響。

1.2 基于二階擬合模型的LLC同步整流反向控制

反向模式下，所提基于二階擬合模型的同步整流控制如圖4所示，圖5所示為LLC變換器反向運(yùn)行波形。此時(shí)Q1～Q4為同步整流管。LLC反向運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電感始終并聯(lián)在輸入電壓兩端，不參與諧振，反向LLC變換器電壓增益特性與LC變換器一致。因此，反向LLC變換器始終固定工作在諧振頻率點(diǎn)r，實(shí)現(xiàn)高效率。

圖4 所提基于二階擬合模型的反向LLC同步整流控制

圖5 反向LLC變換器工作波形

通過建立二階擬合數(shù)學(xué)模型，考慮輸出等效負(fù)載的變化，實(shí)現(xiàn)同步整流導(dǎo)通時(shí)間的在線計(jì)算。原二次側(cè)開關(guān)管的開通時(shí)刻相同，但同步整流管關(guān)斷時(shí)刻由所建數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的同步整流導(dǎo)通時(shí)間決定。

所提雙向同步整流控制的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）通過建立數(shù)學(xué)模型，可以準(zhǔn)確計(jì)算出同步整流導(dǎo)通時(shí)間，顯著降低同步整流管體二極管的導(dǎo)通時(shí)間，減少導(dǎo)通損耗，進(jìn)一步提高LLC效率。

（2）無需測量高頻信號，對開關(guān)噪聲的抗干擾能力強(qiáng)，并具有高效率和控制器計(jì)算資源少的優(yōu)勢。

2 數(shù)字同步整流控制正向LLC二階擬合模型分析

2.1 正向同步整流導(dǎo)通時(shí)間頻域模型

圖6所示為LLC變換器正向運(yùn)行的等效電路和工作波形。圖中，ab為橋臂中點(diǎn)電壓，in為LLC輸入電壓，j為同步整流管輸出等效結(jié)電容，為同步整流管導(dǎo)通時(shí)間。為便于對模型進(jìn)行分析，假設(shè)諧振電感、諧振電容和變壓器是理想的，只考慮了基波，并將同步整流管輸出等效結(jié)電容視為常數(shù)。

圖6 正向LLC變換器的等效電路和工作波形

圖6a中，RC為輸出等效負(fù)載和同步整流管結(jié)電容的并聯(lián)阻抗，其表達(dá)式為

其中

式中，L為輸出阻抗；為變壓器電壓比。RC相位1表示為

RLC表達(dá)式為

其中

LRC的相位2表示為

輸出阻抗o為

其中

o的相位3表示為

假設(shè)

同步整流導(dǎo)通時(shí)間在時(shí)域可計(jì)算為

2.2 所提基于二階擬合模型的SR算法

由于同步整流導(dǎo)通時(shí)間只與開關(guān)頻率和輸出負(fù)載有關(guān)，因此可簡化算法。在保證LLC變換器高效率的同時(shí)，大幅減少數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor, DSP）的同步整流計(jì)算時(shí)間。

利用Matlab，選取二階多項(xiàng)式作為擬合函數(shù)。開關(guān)頻率小于諧振點(diǎn)時(shí)，SR導(dǎo)通時(shí)間擬合函數(shù)為

式中，00=3.955×10-6；10=-1.161×10-11；01=-3.44× 10-9；20=1.284×10-17；11=-2.266×10-15，02=6.749× 10-12。

開關(guān)頻率大于諧振點(diǎn)時(shí)，SR導(dǎo)通擬合函數(shù)為

式中，00=3.56×10-6；10=-8.593×10-12；01=-5.847× 10-9；20=7.817×10-18；11=3.63×10-16；02=1.263× 10-11。在DSP程序中，采用上升-下降計(jì)數(shù)時(shí)，開關(guān)頻率可計(jì)算為

式中，clk為控制器工作頻率；ctrl則來自閉環(huán)控制器的輸出。本文采用的DSP型號為TI的TMS320F280049C，主頻為100MHz。

SR運(yùn)行周期的對比分析見表1。該表包含了等效輸出負(fù)載的計(jì)算周期。它假設(shè)代碼和堆棧在零等待狀態(tài)內(nèi)存中。從表1可看出，使用所提二階擬合算法，DSP的SR計(jì)算周期大幅減少。

表1 SR所需DSP運(yùn)行周期對比分析

Tab.1 Consumed running cycles in DSP for SR

圖7所示為正向LLC導(dǎo)通時(shí)間對比。不同開關(guān)頻率下，所提SR算法具有很高的擬合精度，滿載下誤差僅為2.28%和0.94%。因此，所提SR簡化算法可實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)所需DSP的計(jì)算資源更少。

2.3 電路參數(shù)漂移分析

2.3.1 輸出等效電阻參數(shù)漂移分析

輸出等效電阻由測量的輸出直流電壓和輸出電流計(jì)算得到。分析溫度對輸出等效電阻影響，即分析溫度變化對輸出直流電壓和電流影響的分析。

輸出直流電壓測量采用電阻分壓的方式，如圖8所示。圖中，1、2和3為分壓電阻，其值分別為5.1MW、3.9MW和47kW，1和2的溫漂系數(shù)均為±100×10-6/℃，3溫漂系數(shù)為±10×10-6/℃。輸出電壓o變化范圍為200～500V，s為3的電壓，經(jīng)采樣處理電路處理后送入DSP。

圖8 電阻分壓測量輸出電壓

采樣電壓s與o關(guān)系為

當(dāng)溫度為125℃、溫升為100℃時(shí)，根據(jù)電阻溫漂系數(shù)可得，1、2和3的電阻變化率分別為0.01%、0.01%和0.001%。此時(shí)采樣電壓s為

采樣電壓s進(jìn)入DSP后進(jìn)行離散化，采用12位采樣，DSP采樣標(biāo)準(zhǔn)參考電壓為3.3V，輸入至DSP內(nèi)的離散電壓采樣值s_d為

s_d始終為整數(shù)值。本文閉環(huán)程序中，25℃下，經(jīng)過采樣擬合，DSP采樣擬合電壓o_dsp為

1和1分別是0.153和0.889 6，為采樣電阻在25℃下的擬合值。當(dāng)溫度為125℃時(shí)，有

1為DSP采樣擬合電壓o_dsp與實(shí)際電壓o的比值。當(dāng)o分別為200V和500V時(shí)，1為0.990 93和0.988 26。當(dāng)溫升為100℃時(shí)，輸出電壓的測量最大誤差為1.174%。

輸出電流測量采用霍爾電流芯片ACS725LLCTR- 30AB-T，來自Allegro公司。圖9所示為該芯片測量總誤差隨溫度變化的曲線，Sigma表示標(biāo)準(zhǔn)差。由圖9可知，當(dāng)溫度為125℃時(shí)，電流測量誤差最大和最小分別為0.5%和-0.7%，即實(shí)際電流為o時(shí)，輸出至DSP中的電流為1.005o或0.993o。

圖9 電流芯片隨溫度變化的曲線

溫度從25℃升到125℃，溫升為100℃時(shí)，有

式中，e_nor為25℃下的輸出等效電阻；e_max為125℃下的輸出等效電阻；o和o分別為25℃下的輸出直流電壓和電流。因此，輸出等效電阻在溫升100℃下的最大測量誤差為1.67%。

圖10所示為輸出負(fù)載存在誤差時(shí)的分析。開關(guān)頻率分別為300kHz和270kHz時(shí)，當(dāng)?shù)刃л敵鲐?fù)載存在10%的誤差時(shí)，滿載情況下，SR導(dǎo)通時(shí)間誤差僅為0.58%和1.13%。因此，輸出負(fù)載存在誤差時(shí)，不會影響導(dǎo)通時(shí)間的計(jì)算準(zhǔn)確度。

2.3.2 諧振電感參數(shù)漂移分析

圖11所示為諧振電感存在誤差時(shí)的分析。諧振電感存在氣隙，氣隙磁阻遠(yuǎn)大于磁心磁阻。

因此，當(dāng)溫度變化較大時(shí)，諧振電感值變化很小。根據(jù)圖11，當(dāng)諧振電感存在10%的誤差，導(dǎo)通時(shí)間誤差僅為2.73%和2.12%，不會影響所提算法的實(shí)現(xiàn)。

圖11 LLC諧振電感存在誤差（Vo=380V）

2.4 LLC變換器損耗分析

圖12所示為正向LLC損耗分析。300kHz時(shí)，相比于傳統(tǒng)算法，所提SR算法SR管損耗減少了27.7W。270kHz時(shí)，所提算法依舊可減少損耗，提高效率。因此，所提SR算法通過減小SR體二極管的導(dǎo)通時(shí)間，降低整流管導(dǎo)通損耗，提高效率。

圖12 正向LLC損耗分析（Po=6.6kW）

3 數(shù)字同步整流控制反向LLC二階擬合模型分析

3.1 反向同步整流導(dǎo)通時(shí)間二階擬合模型分析

圖13所示為反向模式下LLC的等效電路和波形。jeq為同步整流管的等效輸出結(jié)電容。

圖13 反向LLC變換器等效電路和波形

由圖13可知，等效輸出阻抗o為

等效輸出阻抗的虛部eq為

等效輸出阻抗的實(shí)部eq為

基于式（29）、式（30），時(shí)間間隔表示為

SR導(dǎo)通時(shí)間為

反向模式下，LLC變換器始終在諧振點(diǎn)工作。由于SR導(dǎo)通時(shí)間只與負(fù)載有關(guān)，可以簡化所提算法，減少DSP的計(jì)算耗時(shí)。利用Matlab，選取多項(xiàng)式作為擬合函數(shù)，SR導(dǎo)通時(shí)間擬合函數(shù)為

式中，1=1.635×10-12；2=-1.998×10-9；3=1.649× 10-6。

表2所示為SR運(yùn)行周期的比較。采用所提的二階擬合模型算法，所需的運(yùn)行周期大幅減少。

圖14所示為所提基于二階擬合模型的SR算法和原始SR算法的導(dǎo)通時(shí)間對比。滿載工況下，所提二階擬合模型和原始模型的誤差只有0.39%。因此，所提基于二階擬合模型的算法具有很高的擬合精度。

表2 SR所需DSP運(yùn)行周期對比分析

Tab.2 Consumed running cycles in DSP for SR

圖14 SR導(dǎo)通時(shí)間比較（fs=300kHz, Vbus=400V）

3.2 參數(shù)漂移影響和損耗分析

圖15所示為輸出等效電阻存在誤差時(shí)，實(shí)際SR導(dǎo)通時(shí)間對比分析。滿載時(shí)，當(dāng)輸出電阻負(fù)載存在10%誤差時(shí)，SR導(dǎo)通時(shí)間誤差僅為0.72%。因此，輸出負(fù)載存在誤差時(shí)，不影響所提SR算法的實(shí)現(xiàn)。

圖15 輸出等效電阻存在誤差（Vbus=450V, fs=300kHz）

圖16所示為LLC變換器反向運(yùn)行的損耗分析。相比傳統(tǒng)SR控制，基于所提SR控制，反向LLC變換器同步整流的導(dǎo)通損耗減少了11.2W，明顯提升了反向LLC的效率。

圖16 反向LLC損耗分析（Vbus=520V, fs=300kHz）

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

為了驗(yàn)證所提SR控制的有效性，搭建了一臺6.6kW雙向充電機(jī)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖17所示，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖18所示。前級為交錯(cuò)并聯(lián)圖騰柱功率因數(shù)校正（Power Factor Correction, PFC）電路，后級為LLC變換器。采用Wolfspeed公司的SiC MOSFETs（C3M0065090D），電路詳細(xì)參數(shù)見表3。

圖17 雙向LLC充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖18 6.6kW雙向LLC充電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

表3 雙向LLC充電機(jī)電路參數(shù)

Tab.3 Parameters of bidirectional LLC charger

（續(xù)）

4.2 所提LLC同步整流控制正向運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

圖19所示為LLC變換器正向運(yùn)行下采用所提SR控制的運(yùn)行波形。由圖中可看出，開關(guān)頻率為270kHz，負(fù)載分別為2.6kW和6.6kW時(shí)，所提控制可精確地控制SR驅(qū)動導(dǎo)通時(shí)間，降低體二極管導(dǎo)通時(shí)間，減少體二極管的導(dǎo)通損耗。當(dāng)開關(guān)頻率為305kHz時(shí)，依舊可實(shí)現(xiàn)很好的控制效果。

圖20所示為LLC變換器在負(fù)載突變下的波形。圖20b是圖20a中區(qū)域1的放大圖?？梢钥闯?，當(dāng)負(fù)載從4.4kW突變到1kW時(shí)，可實(shí)現(xiàn)所提SR控制。圖21為同步整流算法運(yùn)行時(shí)間對比。相比原始復(fù)雜模型，采用所提基于二階擬合模型的同步整流算法，DSP運(yùn)行時(shí)間降低了超過60%。

圖20 所提同步整流控制下的負(fù)載跳變（Vbat=320V）

圖21 正向同步整流運(yùn)行時(shí)間對比

圖22給出所提控制和傳統(tǒng)SR控制的效率對比。傳統(tǒng)控制是基于文獻(xiàn)[20]，只考慮了開關(guān)頻率的變化，忽視了負(fù)載的變化。SR管開通時(shí)刻由一次側(cè)開關(guān)管開通時(shí)刻延遲一定時(shí)間得到。開關(guān)頻率小于或等于諧振頻率時(shí)，SR管導(dǎo)通時(shí)間等于半個(gè)諧振周期減去驅(qū)動延遲時(shí)間和死區(qū)時(shí)間。開關(guān)頻率大于諧振點(diǎn)時(shí)，SR管關(guān)斷時(shí)刻超前于一次側(cè)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻，超前時(shí)間等于驅(qū)動回路延遲時(shí)間。

圖22 正向LLC變換器效率對比（vbat=420V, fs=300kHz）

由圖22可知，所提SR控制可根據(jù)負(fù)載變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)SR導(dǎo)通時(shí)間，降低SR管導(dǎo)通損耗，提高效率。滿載6.6kW下，所提控制效率提升高達(dá)0.36%。

4.3 所提LLC同步整流控制反向運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

圖23給出了反向LLC變換器實(shí)驗(yàn)波形。為實(shí)現(xiàn)高效率，LLC變換器反向運(yùn)行時(shí)，始終工作在300kHz。當(dāng)負(fù)載功率分別為1.6kW和3.3kW時(shí)，所提SR控制很好地調(diào)節(jié)了SR導(dǎo)通時(shí)間，跟隨負(fù)載變化。因此，可極大地降低SR管導(dǎo)通損耗，提高效率。

反向LLC變換器負(fù)載突變?nèi)鐖D24所示。圖24b為圖24a中區(qū)域2的放大圖。當(dāng)負(fù)載從0.2kW突變到3.3kW時(shí)，所提控制可實(shí)現(xiàn)良好的負(fù)載跟蹤。

圖24 反向LLC負(fù)載跳變（Vbus=430V, fs=300kHz）

圖25所示為LLC變換器反向運(yùn)行時(shí)兩種算法實(shí)際運(yùn)行時(shí)間。相比原始復(fù)雜模型算法，所提算法在DSP中的運(yùn)行時(shí)間減少了約75%。

圖25 反向LLC變換器同步整流算法運(yùn)行時(shí)間

圖26所示為LLC反向運(yùn)行時(shí)，所提SR控制和傳統(tǒng)SR控制的效率對比。相比傳統(tǒng)控制[20]，滿載3.3kW條件下，所提SR控制效率提升達(dá)到0.29%，具備良好的控制效果，且不增加任何元器件和成本。

圖26 反向LLC變換器效率對比Vbus=520V, fs=300kHz

5 結(jié)論

本文提出了基于二階擬合模型的SiC雙向LLC數(shù)字同步整流控制策略。通過在頻域建立LLC同步整流導(dǎo)通時(shí)間的解析模型，利用二階多項(xiàng)式擬合原始的復(fù)雜模型，簡化同步整流導(dǎo)通時(shí)間在控制器中的計(jì)算。一次側(cè)開關(guān)管和二次側(cè)同步整流管驅(qū)動開通時(shí)刻一致，而同步整流管關(guān)斷時(shí)刻則由所計(jì)算的導(dǎo)通時(shí)間決定。所提控制具有實(shí)現(xiàn)簡單、抗干擾性強(qiáng)和SR導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)。分析了當(dāng)諧振電感和輸出等效電阻存在10%誤差時(shí)，同步整流導(dǎo)通時(shí)間的誤差最大僅為2.73%，因此所提控制具備較強(qiáng)的魯棒性。

最后，本文搭建了一臺6.6kW 300kHz SiC雙向LLC充電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了所提控制的有效 性。正向模式下，相比傳統(tǒng)控制，所提SR控制在滿載6.6kW下效率提高了0.36%；反向模式下，相比傳統(tǒng)控制，所提SR控制3.3kW下效率提高了0.29%。

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Two-Order Fitting Model-Based Digital Synchronous Rectifier Control for SiC Bidirectional LLC Converter

11231

（1. School of Electrical Engineering and Automation Anhui University Hefei 230039 China 2. The 55th Research Institute of CETC Nanjing 210016 China 3. College of Automation Engineering Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 211106 China）

Conventional LLC synchronous rectifier (SR) typically senses high-frequency signals, easily affected by high d/dresulting in duty cycle loss and high conduction loss. The SR method with a given duty cycle cannot track load variations and causes high conduction loss in a wide load range. A two-order fitting model-based digital synchronous rectifier control is proposed for the bidirectional SiC LLC converter, which tracks load variations and switching frequency to calculate the SR on-time online. The turn-on instants between the primary and secondary switching devices are identical, while the calculated SR on-time determines the SR turn-off instants. The proposed control achieves low conduction loss and has high immunity to high switching noise without sensing high-frequency signals. When the resonant inductor and output load have 10% tolerances, the maximum tolerance for the SR on-time is only 2.73%. A prototype of a 6.6kW SiC bidirectional LLC charger was built. Compared with the conventional LLC SR control, the efficiency improvement is up to 0.36% at 6.6kW in the forward mode, and 0.29% at 3.3kW in the reverse mode.

LLC converter, synchronous rectifier, bidirectional, SiC MOSFET, fitting model

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220973

TM461

安徽省自然科學(xué)基金杰青項(xiàng)目（2108085J24）、安徽省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（2108085QE239）和安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2021A0007）資助。

2022-05-31

2022-07-06

李浩然 男，1991年生，博士，講師，研究方向?yàn)殡p向DC/DC變換技術(shù)、高頻功率變換技術(shù)。E-mail: haoranli@ahu.edu.cn

胡存剛 男，1978年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槎嚯娖阶儞Q器、光伏發(fā)電和微電網(wǎng)。E-mail: hcg@ahu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）