宽范围输入高效LLC谐振变换器的研究*

史永胜，李利，田卫东，高丹阳

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)

宽范围输入高效LLC谐振变换器的研究*

史永胜*，李利，田卫东，高丹阳

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)

针对LLC谐振变换器不适合宽范围输入，且在宽范围输入时整个负载范围内效率较低的缺陷，提出一种将可变倍频技术和Burst控制模式相结合的方法。分析了该方法的实现过程，并通过一台300W的样机验证了其可行性。测试数据表明，该变换器可实现100 V～400 V的宽范围输入;在此输入下，当20%以上负载时效率可达到94.8%～96.5%，当5%～20%负载时效率能达到93.5%以上，当小于5%负载时效率能达到87.8%以上。

LLC谐振变换器;宽输入电压范围;高效率;可变倍频技术;Burst模式

近年来，能源危机日益严重，越来越多的学者已开始关注光伏和燃料电池等新能源技术［1-4］。但新能源发电单元受气候条件和天气的影响大，输出电能不稳定、不连续，输出电压变化范围较宽，因此需要一种在宽范围输入下仍能高效工作的DC/DC变换器。

LLC谐振变换器能实现高效率、高功率密度和低成本的功率变换［5］，被作为本文的拓扑结构进行了分析和研究。为适应宽范围输入高效化的应用，国内外学者对LLC变换器的研究集中在新型拓扑结构和控制方法两方面［6-10］。文献［6］提出了一种串联双变压器的LLC变换器，在保持高增益范围的同时减小了励磁电流;文献［7］提出了LLC谐振变换器衍生拓扑结构，并采用定频控制方法;文献［8］提出了一种混合式LLC电路谐振与同步整流数字式控制方式;文献［9］提出一种新颖的混合控制策略，结合了定频控制和变频控制的优点;文献［10］提出了一种用两个谐振槽回路和辅助开关的新拓扑结构。目前对LLC变换器宽范围输入高效化的研究中，最大只能实现高低输入电压为2∶1的比例，20%以上负载时效率还相对较低，而轻载时效率更低，目前的电源也常处于轻载状态，因此对宽范围输入高效化的研究具有重要意义。

本文详细分析了将可变倍频技术和Burst模式相结合方法的工作原理，并设计了一台100 V～400 V输入、12 V/25 A输出的样机，验证了该方案的正确性。

1 工作原理

图1是本文所研究的宽范围输入高效LLC谐振变换器硬件结构图，采用了双LLC谐振回路［11］。

主电路中的谐振回路、输出整流回路与普通LLC谐振变换器相同，只是逆变部分不同，由4个开关管组成叠桥的形式，开关管1与2、开关管3与4的驱动信号分别对应互补。当输入电压为100 V～200 V时，利用可变倍频技术及LLC谐振变换器的效率优化特性，将S1和S3的占空比分别设置为0.5、0.5，工作方式和普通半桥LLC电路相同;当输入电压为200 V～400 V时，为了减小功率损耗和电流应力，利用可变倍频技术，将S1和S3的占空比分别设置为0.25、0.75，输入变为半电压，开关频率减半，同时减小开关管电压应力，提高系统稳定性。

控制系统采用电压电流双环控制［12-13］，轻载时工作在Burst控制模式。经采样电路及A/D转换器将采样的信号送入DSP28335，INA1、INA2、INA3分别对其采样，DSP的ePWM1A、ePWM1B、ePWM2A、ePWM2B将输出在一定电压范围内的占空比和死区固定的驱动信号，通过驱动电路来驱动主功率开关管S1、S2、S3、S4来稳定输出。

图1 宽范围输入高效LLC谐振变换器结构图

2 系统分析与设计

2.1 系统设计策略

2.1.1 宽范围输入的实现

本文采用可变倍频技术来实现宽范围输入而不影响其效率，该技术可使变换器的占空比和开关频率随着输入电压的改变而改变，能在不同的操作环境下有效设置两个独立的增益［14］，缩小谐振变换器逆变部分的有效操作范围，达到宽范围输入。

该变换器的逆变部分的电路如图2所示，由图可得:

图2 谐振变换器逆变部分电路图

当输入电压为100 V～200 V时，通过DSP数字控制，4个开关管的开关状态如表1所示，谐振回路输入电压幅值如图3所示。

表1 模态1开关状态

图3 模态1对应电压幅值图

当输入电压为200 V～400 V时，通过DSP数字控制，4个开关管的开关状态如表2所示，谐振回路输入电压幅值如图4所示。

表2 模态2开关状态

图4 模态2对应电压幅值图

由模态1可知为了提高LLC谐振变换器的效率优化特性，将S1和S3的占空比D1和D2都设置为0.5。在模态2时D1和D2分别设置为0.25、0.75，此状态下的输出Vinv频率加倍而幅值减半，可降低高压下开关频率过高引起的危害，缩小谐振回路的输入电压有效工作范围，实现宽范围输入。

2.1.2 Burst控制模式的实现

图5是Burst模式的工作原理图，图5(a)和5(b)分别对应可变倍频技术模态1和模态2的Burst控制模式波形，其中Tburst是变换器Burst控制模式的工作周期，Ton是4个主功率晶体管的导通时间，Toff是晶体管的关断时间。

当检测到输出端的电流在额定电流的20%以下时，主程序进入Burst工作模式，即变换器进入间歇式工作状态。随着负载的变化，当占空比上升到开关管导通极限值时，开关晶体管将进入Ton导通模式;当占空比下降到开关管关断极限值时，开关晶体管进入Toff关断模式，输出电压将由输出电容来提供，直到占空比再次上升到极限值则进入下一个Burst模式。由于开关管有一段时间处于关闭状态，即将一些无效的周期隔开，随着负载的减小，会存在更长的无效周期，以此来减小开关管的平均开关频率和开关周期次数，降低了开关管的通态损耗及变压器的磁芯损耗，提高了变换器的效率。

图5 Burst模式工作原理图

2.2 系统设计

2.2.1 硬件设计

系统硬件结构如图1所示，主电路采用4个开关管组成叠桥形式的LLC谐振变换器，控制电路采用双闭环控制。为使变换器能够实现宽范围输入，本文采用可变倍频技术;为使输入电压在宽范围变化时，负载如何变化都不影响其高效化，采用Burst控制方式。

本文采用的双闭环控制结构框图如图6所示。电压采样值UO与电压基准值Uref比较生成误差电压Uerr，经调节器GV形成电压外环控制，变压器初级侧电流Ip与基准值Iref比较，经调节器Gc形成电流内环，电流内环输出有效占空比信号，此占空比信号可由软件产生可实现宽范围输入的PWM信号［15］。

图6 双闭环控制结构框图

本文采用了增量PID控制算法［16］，数字控制器输出的是相邻两个采样时刻所得的位置值之差:

本文将采样频率调到极限值，用极点配置法整定PID的系数，并通过Saber仿真整定的参数为: Kp=1.57，Ki=135 74，Kd=0.000 173 8。

本文采用的增量式控制减小了系统累计误差，通过Kp、Ki、Kd、偏差初值和采样值得到增量Δu(k)，再用软件对此增量进行控制，以此来调用占空比子程序，产生相应占空比信号，完成对变换器的设计。

2.2.2 软件设计

本文的软件部分主要由主程序、PID调节子程序和中断程序组成，它们的程序流程图如图7所示。

主程序主要是完成系统初始化工作并进入一个循环，判断开关机，处理一般性故障及等待中断发生。中断程序主要是读取且保存采样的结果，根据负载情况调用不同控制方式，并用PID算法计算PWM输出信号，进行调节输出。

本设计当电路工作在轻载时，将进入Burst控制模式，隔断无效开关周期，减小开关频率，降低开关损耗，提高变换器的效率。

图7 程序流程图

3 实验结果及分析

本文为了验证上述理论分析的合理性，通过Saber仿真软件首先对电路参数进行了仿真，仿真波形如图8所示;然后研制了一台300 W的样机，验证了该变换器在100 V～400 V输入时能够稳定工作且具有较高效率，该样机的性能指标如下:

输入电压:100 V～400 V

输出电压:12 V

输出电流:25 A

谐振频率:100 kHz

变压器变比:55∶3

谐振电感:Lr=25μH

谐振电容:Cr=103 nF

励磁电感:Lm=75μH

死区时间:tdead=300 ns

主功率开关管采用STP12NM50(550 V，12 A)，驱动芯片采用UCC27424DGN。

图8(a)、图8(b)分别为模态1和模态2的Saber仿真波形，由图可知此谐振变换器能实现ZVS，且在宽范围输入和轻载情况下iLr和iLm之差较稳定，而模态1的iLr和iLm之差比模态2的小，即模态1原边向副边稳定传输的能量比模态2少，两个模态下输出电压基本可达到12 V，仿真电路正常工作，说明了参数设计较合理，能够实现谐振和软开关。

图8 宽范围输入LLC谐振变换器的仿真波形

图9为S1管栅极驱动信号与漏源极的电压波形，由波形可知，当MOS管关断时，其漏源极的电压缓慢上升;当MOS管开通时，其漏源极的电压已经下降到零。证明了该变换器在宽范围输入时，可实现软开关，减小了开关损耗，提高了变换器效率，设计合理。验证了可变倍频技术能实现变换器的宽范围输入且不降低其效率。

图9 S1零电压开通波形

图10是效率曲线图。可以看出，该变换器在20%以上负载时效率可达到94.8%～96.5%，在5%～20%负载时能保持93.5%及以上的效率，在小于5%负载时效率能达到87.8%以上，因此该变换器结合可变倍频技术和Burst模式控制方式，可实现在宽范围输入时无论负载如何变化都能实现高效化。

图10 效率曲线图

4 结论

本文对LLC谐振变换器实现宽范围输入，且在宽范围输入时全负载范围内的效率问题进行了研究。采用可变倍频技术，缩小了变换器的有效工作范围来实现宽范围输入，且在20%以上负载时效率较高;采用Burst控制方式，使变换器工作在轻载时，开关频率和次数都减小，降低开断损耗，提高了效率。实验表明，该变换器可满足输入高低电压比为4∶1的宽范围输入，在全负载范围内可实现ZVS且效率较高，验证了理论分析的正确性，该结构在新能源发电方面具有较好的应用前景。

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史永胜(1964-)男，汉族，陕西西安人，陕西科技大学电气与信息工程学院，博士，教授，主要研究方向为特种开关电源与新型电源技术研究，shiys@ sust.edu.cn;

李利(1989-)女，汉族，山西晋城人，陕西科技大学电气与信息工程学院，在读硕士研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动，928501927@qq.com。

Research of LLC Resonant Converter w ith W ide Range Input and High Efficiency*

SHIYongsheng*，LILi，TIANWeidong，GAO Danyang

(College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

To solve the disadvantage of the LLC resonant converter is not suitable for wide range input，and the efficiency is low in the whole load range as the wide range input.A method of combining variable frequency multiplier technique and burst-mode control strategy is proposed.The implementation processes of thismethod are analyzed，and its feasibility is verified by a 300W prototype.The test data show that the converter can achievewide input range of 100 V～400 V.Under this range，the efficiency can reach 94.8%～96.5%at the loadmore than 20% and achievemore than 93.5%at the load 5%～20%，and in of load condition less than 5%the efficiency is higher than 87.8%.

LLC resonant converter;wide input voltage range;high efficiency;variable frequency multiplier technique; burst-mode

C:1290B

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.048

TM 461

:A

:1005－9490(2017)01－0256－06

项目来源:国家自然科学基金项目(59493300);教育部博士点基金项目(9800462);陕西省工业科技攻关项目(2015GY173);西安市产学研协同创新计划项目(CXY1513-5)

2016-01-26修改日期:2016-02-25