一種基于LLC的寬電壓輸出的功率變換器設計

2023-03-08 03:39:58胡國民吳方捷

電器工業 2023年2期

胡國民吳方捷

（南京康尼新能源汽車零部件有限公司）

關鍵字：寬電壓；增益；電壓輸出；變換器設計

0 引言

LLC作為一種廣泛應用的諧振變換器，多應用于固定電壓或小范圍輸出電壓可調的應用場景[1]。由于其諧振腔參數的計算較為復雜，需要在合適的增益曲線與最優的磁性元件設計之間做出權衡，這給寬電壓的輸出設計造成了一定的障礙[2]。

傳統的PFC（功率因數校正電路）+LLC架構的AC-DC變換器通常需要采用可變電壓的前級PFC，以減小LLC級的增益范圍，這種方案不僅顯著提升成本，還需要PFC與LLC的輸出電壓的協同控制，整體的控制策略變得復雜。本文提出一種固定電壓輸入、寬電壓輸出的LLC設計方案，實現2倍以上的增益變化?？傮w方案成本低，控制策略簡潔可靠。

1 系統工作特性分析

基于優化系統架構，簡化控制策略的考慮，系統采用模擬PFC +寬電壓輸出LLC，其中PFC輸出恒定的母線電壓，可采用經典的整流橋+boost電路實現固定電壓輸出，PFC的輸出電壓與LLC的輸出無需協同控制[3]。寬電壓輸出由LLC通過調頻實現2倍以上的增益變化來實現。

1.1 LLC寬電壓輸出的增益特性分析

以全橋LLC為例，電路架構如圖1所示。

圖1 全橋LLC拓撲架構

將負載電阻折算至原邊，可以寫出圖1的傳遞函數：

因此，得到基于基波分析法的電路直流增益為：

當k值固定時，即勵磁電感與諧振電感的比例關系確定時，直流增益與歸一化頻率的關系如圖2a所示，可以看到，最高增益隨著Q減小而增加，而且最高增益處的頻點始終小于或等于諧振頻率；而在大于諧振頻率部分的增益，都是隨著Q值的增加而減小，當Q值越大，增益隨頻率增加，衰減就越顯著。

圖2 LLC頻率增益特性曲線

這表明，在一個固有諧振腔下，當考慮其最高增益時，只需要確保在滿載條件下的增益曲線仍滿足最大增益需求，就能確保變換器在任何負載條件下均可滿足最高電壓輸出需求；同樣的，針對最低輸出電壓點，需要諧振腔在空載條件下仍然能滿足最低輸出電壓。所以，只需要考慮上述兩個極限工作點可以滿足全電壓范圍的輸出能力需求。

當Q值固定時，即負載條件不變的情況下，增益曲線隨k值變化關系如圖2b所示。曲線的變化趨勢表明，當諧振電感相對勵磁電感越大時，增益曲線越陡峭，增益最大值也越大。

圖2表明，在開關頻率，負載情況確定的條件下，可以通過選取合適的k值，找到合適增益曲線，以滿足實際增益要求，理論上，在僅考慮增益時，LLC可以做到相當大的增益范圍。而實際上，k值的選取，通常會受到一定的限制。由于諧振電感與變壓器原邊直接串聯，它們將流過完全相同的電流，由于諧振電感僅用于調節電流波形，并不參與向副邊傳遞能量，所以，諧振電感會成為一個“額外的”效率損失。鐵氧體的磁心損耗可以用按如下公式評估：

式中，η表示損耗系數；a、b分別為大于1的頻率和電感損耗指數。

當諧振電感占勵磁電感比例越大時，諧振電感的磁心損耗占系統總的磁心損耗比例將會增加，因此，電感比例系數的選取，應該在可滿足增益要求的前提下，盡量大。一般情況下，選取比例系數k＞ 2.5。

1.2 極限工作電壓點的工作模態分析

首先分析在直流增益大于1時，此時，變換器開關頻率小于諧振頻率，電流的工作波形如圖3a所示，可以看到，在一個完整的工作周期內，僅在陰影部分所示波形的持續時間內，能量從原邊傳遞到副邊。隨著開關頻率的下降，勵磁電流擺幅增加，陰影部分在周期內的時間占比逐漸減小，而在輸出功率保持不變的條件下，原邊諧振電流峰值必然進一步增大。所以，相對諧振點，隨著工作頻率的下降，變壓器和諧振電壓的磁心損耗逐漸增加。變壓器工作在最惡劣工作點。

圖3 極限工作點波形分析

當直流增益小于1時，開關頻率大于諧振頻率，電流工作波形如圖3b所示，可見，在整個開關周期內，原邊都在向副邊傳遞能量。對比諧振工作點，當需求輸出電流有效值不變時，即當頻率逐漸升高時，陰影部分的有效值需要保持不變，則必然伴隨著諧振電流尖峰的顯著增加，磁心損耗加劇。在恒流工作情況下，最低增益工作點，通常諧振電感磁心損耗最高，承受最大熱應力。