PWM控制LLC谐振变换器的单调性研究

包尔恒，王红涛，高军

（1.广东水利电力职业技术学院自动化工程系，广东 广州 510925；2.艾默生网络能源有限公司，广东 深圳 518000；3.深圳麦格米特电气股份有限公司，广东 深圳 518057）

PWM控制LLC谐振变换器的单调性研究

包尔恒1，王红涛2，高军3

（1.广东水利电力职业技术学院自动化工程系，广东 广州 510925；2.艾默生网络能源有限公司，广东 深圳 518000；3.深圳麦格米特电气股份有限公司，广东 深圳 518057）

在标准通信电源及电动汽车充电模块等宽范围输出电压及负载电流变化范围较大的应用场合，由于LLC谐振变换拓扑在高频区具有的不单调现象及实际应用中考虑开关频率的限制等情况，单纯的调频控制难以满足要求，常用的解决方案是在PFM控制的基础上特定条件下引入PWM控制。针对目前对PWM控制模式下LLC谐振变换器单调性分析并不多见的现状，对PWM控制LLC谐振变换器的单调性进行仿真及实验研究，分析了特定占空比下不单调现象的本质并测试了不单调占空比范围，最后根据实验结果给出了实用解决方案。

LLC谐振变换器；单调性；脉冲宽度调制；脉冲频率调制

在标准通信电源及电动汽车充电模块等宽输出电压范围及负载变化较大的应用中［1-2］，从LLC增益—频率特性曲线看，随着输出电压降低和负载减小，变换器的工作频率需要不断增加，尤其是由于追求高效率而将K值（励磁电感和谐振电感的比值）取值比较大的情况下［3-4］，低压轻载时（小Q值）的特性曲线在高频段将变得非常平坦（见图1），甚至可能由于寄生参数的存在使得曲线在高频段上翘，导致需要的开关频率无限高，频率对输出电压的调节作用大大减弱甚至频率对电压调节已经不起作用而引发电压稳定、纹波及杂音超标等一系列实际问题［5］。通常采取的解决方案是在PFM控制的同时在特定工作区域引入PWM控制［6］，本文在对PWM控制LLC谐振变换器［7-8］的单调性进行仿真及实验分析的基础上，得出该模态特定占空比下不单调的结论并分析了其本质根源及影响因素，最后给出了实用化的解决方案。

图1 高K值LLC特性曲线Fig.1 The LLC characteristic curves of large K value

1 PWM控制LLC谐振变换器的单调性仿真分析

本文以某2 000 W标准通信电源模块为例进行仿真分析，其DC-DC变换部分采用半桥LLC谐振拓扑，如图2所示，输入电压为DC400 V，输出电压0～58 V可调，额定输出电流30 A，根据单调性情况在轻载和低压区采取PWM控制模式。

图2 半桥LLC主电路Fig.2 The half-bridge LLC main circuit

半桥LLC谐振变换器的增益—频率特性表达式为

式中：fs为开关频率；Re为折算到原边侧的等效负载电阻，；n为变压器原副边匝比；Po为输出功率；Uo为输出电压。

本文设计采用的谐振腔参数如下：谐振电感Lr=20 μH, 励 磁 电 感 Lm=130 μH, 谐 振 电 容Cr=0.112 μF,谐振频率=106 kHz,,变压器变比n＝15∶4∶4。

PWM控制40%占空比仿真波形如图3所示。

图3 PWM控制40%占空比仿真波形Fig.3 The simulation waveforms in 40%duty cycle

图3中，Q2本来在t2时刻给出驱动信号并实际导通，因为正好t2时刻谐振电流开始反向而正向流过Q2。但观察阴影部分的占空比，若Q2在t1—t2时间段内任意时刻导通，得到的谐振电流波形均和在t2时刻相同，都是Q2的体二极管在续流。也就是说，Q2在t1到t2内任意时刻给出驱动信号，传递到副边的能量均相同，得到的输出电压也相同。换句话说，调节占空比，从，到满占空比50%，输出电压不会变化。这说明LLC谐振电路在PWM态存在不单调问题。

PWM控制单调性仿真波形如图4所示，在t2之后Q2导通，如图4中的t′时刻，并且是在t2之后电流很小接近零的前提下，不能够提供足够的励磁电流让变压器副边导通，才能认为在t2之后PWM控制具有单调性。

图4 PWM控制单调性仿真波形Fig.4 The monotonicity simulation in PWM mode

2 实验及分析

图5所示为该2 000 W通信电源模块DC-DC变换部分半桥LLC在输入电压DC 400 V，6Ω恒阻性负载下将频率固定为最高限制频率350 kHz而进行PWM调节的实验结果，从实验测试结果看在占空比达到35%后，增益变得非常缓慢甚至有一段递减的区域，也就是占空比调节存在不单调现象。

图5 PWM态占空比—输出电压测试曲线Fig.5 The duty cycle vs output voltage test curve in PWM

图6为半桥LLC变换器PWM态的测试波形。

图6 半桥LLC变换器PWM态测试波形Fig.6 The test waveforms of half-bridge LLC in PWM state

图6中，从下管关断到t1时刻，下管关断，谐振电感电流为负不能突变，对上管结电容放电，同时对下管结电容充电，上管UDS开始下降直到t1时刻为0。

在t1—t2时段，当上管UDS到0后，上管体二极管导通，谐振电感电流通过体二极管续流，此时的UDS因为体二极管的导通，钳位为0。

在t2—t3段，体二极管电流到0后，开始反向恢复过程，直到t3时刻反向恢复过程结束，此过程中UDS仍然被钳位在0。

在t3—t4时段，体二极管反向恢复结束后，开关管的结电容与谐振电感发生谐振开始正向充电，UDS开始上升，直到t4时刻上管驱动电压UGS达到开通门槛电压而开通，UDS下降，IDS增加。

在t1—t3时段，上管UDS为0，与管子开通UDS=0效果一样，也就是说，在t1—t3之间管子是否有驱动，传递到副边的能量不变，输出电压不会改变，也就是在该区段占空比的变化不影响输出电压，即PWM态也存在不单调现象。

图7测量了开关频率357 kHz下t1～t3的时间为396 ns，加上死区时间190 ns（设置值）共586 ns，50%占空比对应时间为1 400 ns，则可以计算PWM不单调的区间长度为586/1 400/2=21%，也就是说此时占空比50%和29%输出电压是一样的，占空比在29%～50%范围不单调。

图7 不单调占空比区间测试Fig.7 The test of non-monotonic duty range

3 解决措施

LLC拓扑在单纯的PFM态存在不单调现象（高K值、宽输出电压范围的低压轻载时），根据上述分析，在PWM控制模态大占空比情况下也存在不单调现象，实际设计中可以通过控制模式分区加以解决，将控制模式按工作区段分为3部分（见图8）：PFM，PFM+PWM及PWM，在设置的最高频率以下且特性单调性好的区段（如额定态附近）为PFM调节；在PFM单调性差的高频段且PWM单调区段（小占空比）采用PWM控制；在PWM不单调区段（大占空比）采用PFM＋PWM控制，在占空比从50%到50%-区间内，虽然占空比的增加不能调节输出电压，但工作频率的降低能够调节输出电压，达到稳压的目的。

图8 控制策略简图Fig.8 The control scheme sketch

具体控制方案原理如图9所示［9］。图9中，OA段为单纯的PWM态，该段频率保持最大频率不变，通常对应的运行状态是低压轻载段，该段特点是LLC特性平坦而PFM态不单调。AB段（占空比不单调段）为PFM+PWM段，当占空比增大到较大占空比后（如35%），由于PWM态不单调，这时可采用降低频率和增大占空比同时调制方式，以保证PWM方式运行在单调区，通常对应的运行方式是输出电压的中压段和中轻载区。BC段为PFM态调制段，该段通常对应的运行状态为额定态附近。

图9 分区控制原理Fig.9 The partition control principle

上述控制方式在DSP等控制的数字化电源设计中比较容易实现，但部分模拟控制芯片也可以实现这种控制，如LM5033，SG3525等［10］。

将上述控制策略应用于该高效率2 000 W标准通信电源模块，解决了不单调现象引起的输出纹波及杂音超标等问题，取得了良好的实际效果。

4 结论

LLC谐振变换器在宽输出电压范围及负载变化范围较大等特定电源应用中的单调性问题是通常面临解决的实际问题，常用的解决方案是PFM结合PWM的控制策略，本文对PWM态的单调性问题进行了研究并得出大占空比下不单调的结论，最后给出实用化的解决方案，对该应用场合且额定态高效率要求的LLC谐振变换器设计具有一定的指导意义。

［1］Beiranvand R，Rashidian B，Zolghadri MR，et al.A Design Procedure for Optimizing the LLC Resonant Converter as a Wide Output Range Voltage Source［J］.IEEE Transactions on Power Eiectronics，2012，27（8）：3749-3763.

［2］Musavi F，Craciun M，Gautam DS，et al.An LLC Resonant DC-DC Converter for Wide Output Voltage Range Battery Charging Applications［J］.IEEE Transations on Power Elec⁃tronics，2014，28（12）：5437-5445.

［3］牛志强，王正仕.高效率半桥LLC谐振变换器的研究［J］.电力电子技术，2012，46（6）：64-65.

［4］胡海兵，王万宝，孙文进，等.LLC谐振变换器效率优化设计［J］.中国电机工程学报，2013，33（18）：48-56.

［5］包尔恒.LLC谐振变换器空载输出电压漂高问题分析解决［J］.电力电子技术，2013，47（1）：26-27.

［6］Yamamoto J，Zaitsu T，Abe S，et al.PFM and PWM Hybrid Controlled LLC Converter［C］//International Power Electron⁃ics Conference，2014：177-182.

［7］Wu L M，Chen P S.Interleaved Three-level LLC Resonant Converter with Fixed-frequency PWM Control［C］//IEEE International Telecommunications Energy Conference，2014：1-8.

［8］管松敏，陈乾宏.PWM控制LLC变换器的工作原理和外特性分析［J］.电力电子技术，2012，46（3）：55-57.

［9］陈滨.谐振拓扑电路的功率变换器的控制方法和装置：艾默生网络能源系统北美公司，200910117939［P］.2012-04-11.

［10］Texas Instruments.LM5033 100V Push-pull Voltage Mode PWM Controller Datasheet［EB/OL］［Z］.2005.

Monotonicity Research of LLC Resonant Converter in PWM Control Mode

BAO Erheng1，WANG Hongtao2，GAO Jun3
（1.Automation Engineering Department，Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou 510925，Guangdong，China；2.Emerson Network Power Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，Guangdong，China；3.Shenzhen MEGMEET Electric Co.，Ltd.，Shenzhen 518057，Guangdong，China）

In wide output voltage and load current range applications such as standard communication rectifier and electric vehicle charging module，etc.，since the non-monotonic phenomenon in high frequency region of the LLC resonant converter and limiting considering of the too high switching frequency，a simple frequency control is difficult to satisfy need，the usual approach is to introduce PWM control on the basis of PFM.Currently，the research about the monotonicity of LLC resonant converter in PWM control mode is rare.By simulation and experiment，the monotonicity of LLC resonant converter in PWM control and the nature of the non-monotonic behavior under particular duty cycle were researched，the range of non-monotonic duty cycle was tested.At last，the practical solution was introduced according to the experiment results.

LLC resonant converter；monotonicity；pulse width modulation；pulse frequency modulation

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20170606

2016-07-14

修改稿日期：2016-09-16

包尔恒（1971-），男，硕士，高级工程师，Email：beh880825@126.com