双向LLC谐振变换器谐振电感磁集成方案

杨玉岗，张立飞，宋宁宁，郭 瑞

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛 125105）

双向LLC谐振变换器是将LLC谐振变换器应用于双向隔离型DC/DC变换器中，利用LLC谐振变换器开关损耗小、变换效率高的优点，提高隔离型双向DC/DC变换器的效率，所以研究双向LLC谐振变换器具有重要的理论意义和实用价值，近年来人们虽已开展了卓有成效的研究工作[1-3]，但对变换器中磁性元件集成的研究相对较少。磁性元件的品质决定着开关电源的使用寿命，文献[4-5]只对双向LLC谐振变换进行了基础理论分析和参数设计，并未提到将磁集成技术运用到变换器中。对双向LLC谐振型变换器的研究国内处于理论基础阶段，国外已有简单的应用。

本文首先对双向LLC谐振变换器进行了详细分析，在保证变换器开关管MOSFET（metal oxide semiconductor field effect transistor）能够实现ZVS的基础上，找到合适的磁集成方案，以实现减小变换器体积、增大功率密度和提高变换效率等目的，最后通过制作试验样机验证了理论分析的正确性。

1 双向LLC谐振变换器

本文研究的双向LLC谐振变换器的拓扑结构如图1所示，该拓扑不需要任何辅助电路就能实现功率的双向传输，且在双向传输过程中不失传统LLC谐振变换器的软开关特性。图1中，Lr1、Lr2为分别位于变压器原、副边的正、反向谐振电感，这2个分立电感，一方面增加变换器体积，减小功率密度；另一方面增大变换器磁件损耗，降低整机效率。而且谐振电感电流双向变化，磁芯交变磁密较大，电感铁损大，有必要进行磁集成以减小铁损及磁件体积。

图1 双向LLC谐振变换器电路拓扑Fig.1 Circuit topology of bidirectional LLC resonant converter

1.1 双向LLC谐振变换器的主要波形分析

双向LLC谐振变换器正向稳定运行时的主要波形如图2所示。正向工作时为升压，反向工作时为降压，图中，Vgs为全桥驱动电压，iLr1和iLm为变压器一次侧谐振电感和励磁电感电流，iLr2为变压器二次侧谐振电感电流，ids为变压器二次侧整流MSOFET体二极管电流。

由图2双向LLC谐振变换器主要工作波形可知，工作周期内，电感电流平均值几乎为0，即电感电流的直流分量为0，只存在交流分量，谐振电感电流双向变化，造成铁损增加；两电感位于变压器两侧，绕组电压受传递效率影响，波形（幅值和脉宽）并不相同，相位也不相同。

图2 双向LLC谐振变换器主要工作波形Fig.2 Key working waveforms of bidirectional LLC resonant converter

1.2 双向LLC谐振变换器的工作模态分析

以正向工作为例，在1个开关周期内，变换器可分为8个工作模态，前半个周期与后半个周期工作原理相同，只对前半周期的工作模态进行分析，双向LLC谐振变换器运行模态等效电路如图3所示。

模态 1[t0～t1]：t0时刻，S11、S14实现零电压开通 ZVS（zero voltage switching），励磁电感电压被钳位，Lr1、Cr1，Lr2、Cr2分别发生串联谐振，变压器副边有能量传输。

模态2[t1～t2]：电感电流iLr1与励磁电流iLm相等的时刻设为t1,开关管S11、S14关断时刻为t2（即死区时间开始时刻），在这段时间内，Lr2、Cr2退出谐振，Lr1、Cr1与Lm发生LLC串并联谐振，变压器副边无能量传递。

模态3[t2～t3]：死区时间开始时刻为t2，结束时刻为t3，在这段时间内，要实现开关管的ZVS，利用励磁电感电流峰值让即将开通的MOSFET的结电容放电，电压降到0，而已关断的MOSFET则同时将其结电容充电到输入电压，变压器副边同样无能量传输。

模态4：t3时刻，死区时间结束，MOSFET的结电容此时充放电完成，S12、S13实现ZVS，变压器原、副边开始有能量传输。

由图3的工作模态分析可知，在模态2和模态3变压器副边均无能量传输，原副边隔离。采用耦合的方式将2个谐振电感集成，建立了原副边的能量联系，改变了双向LLC谐振变换器的工作特性，且变压器二次侧谐振电感储能通过变压器反作用于一次侧，改变了谐振电感Lr1、谐振电容Cr1和励磁电感Lm串并联谐振工作状态，改变了变压器一二次侧电流电压关系，影响开关管ZVS的实现，通过传统的基波分析法建立起来的电压增益特性等一系列参数设计方法需要重新评估。

图3 双向LLC变换器运行时的模态等效电路Fig.3 Mode equivalent circuits of bidirectional LLC converter under operation

2 变换器两谐振电感的集成

磁集成技术具有减小变换器体积、增大功率密度、减小输入输出纹波、改善开关电源的动态性能、减小磁件损耗以及提升变换效率等优势[6]，已经被广泛应用在DC/DC变换器中，磁性元件的集成通常分为两大类：耦合集成与解耦集成。例如，交错并联磁集成双向DC/DC变换器中电感的集成属于耦合集成的应用，此类应用中2个集成的电感具有相同的电压波形（幅值和脉宽），允许存在相位差。

而在本文双向LLC谐振变换器中，两谐振电感的波形不同，不适合传统的耦合集成。从工作模态的分析可知，工作特性也不允许耦合集成。拟采用解耦集成的方式对谐振电感集成以减小变换器磁件体积，这种集成方法不改变变换器的工作特性，非常适合双向LLC谐振变换器变压器原副边谐振电感集成。

2.1 解耦集成原理

解耦集成是将2个及以上分立磁件以零耦合的方式集成到一起，各元件间不会相互影响。解耦集成可分为2种方式：提供低磁阻磁路实现解耦与抵消绕组间的耦合作用实现解耦。以2个电感解耦集成为例，不同方案的解耦集成原理如图4所示。

图4 解耦集成方案Fig.4 Decoupling integrated scheme

图4（a）中，线圈NLr11在中柱产生的磁通与线圈NLr12、NLr2在中柱产生的磁通相互抵消，实现两电感的解耦集成；图4（b）中，2个E形磁芯中柱进行无缝连接，磁阻远小于开有气隙的侧柱，故NLr1、NLr2产生的磁通经中柱形成回路，互相之间基本无耦合，改变侧柱的长度以调节电感的大小，同样实现了两电感的解耦集成。

2.2 解耦集成方案选择

图4（a）方案要实现两电感间完全无耦合，就要保证两电感绕组的匝比与磁柱磁阻的比值相同，计算较复杂，而且存在磁芯磁通分布不均的问题，拆分绕组会造成漏感增加，解耦难度大，对于本文要求解耦精度大的场合尤其不适用；图4（b）方案容易实现，相较图4（a）方案，可节省铜材且精度高，本文选择图4（b）所示解耦方案。

2.3 样机制作

分立电感选用EI28型磁芯，集成电感由EI28型磁芯中的2个E对接而成，中柱不开气息，2个侧柱开气隙以调节电感，同时防止磁芯饱和。集成磁件结构如图5所示，线圈NLr1、NLr2分别为变压器原副边谐振网孔中的谐振电感，从局部放大图可以看出，中柱无气隙，两边侧柱开有气隙，符合图4（b）的解耦集成方案。

图5 集成磁件结构Fig.5 Structure of integrated magnetic component

在双向LLC谐振变换器中，低高压侧谐振网孔参数不同，则两谐振电感的感值不同，因此，绕线匝数不同。在制作实验集成电感样品时，对电感的调整以调节线圈匝数为主，气隙长度为辅，但气隙太大，扩散磁通、旁路磁通大，造成损耗增加，气隙太小又影响解耦集成效果，要折中选取，确保两谐振电感实现零耦合，不影响LLC谐振变换器ZVS特性的实现。为了使变换器正反向运行时工作特性一致，令Lr1=n2Lr2。实验用集成电感样机如图6所示，左侧NLr1为低压侧谐振电感，右侧NLr2为高压侧谐振电感。

图6 实验用集成电感样机Fig.6 Integrated inductor prototype used in experiment

3 实验

搭建了一台48～400 V/1 kW的实验样机，实验参数见表1。

表1 主要参数Tab.1 Principal parameters

电流波形的采集使用RIGOL RP1001C电流探头，控制芯片采用DSP28335，双向LLC谐振变换器运行在正向、反向工作模态下的实验波形如图7所示。

由图 7（a）、（b）可知，将实验用解耦集成电感样机应用到双向LLC谐振变换器中，正向工作模式和反向工作模式均实现了ZVS，解耦集成后，工作特性互不影响，保证了 ZVS 的实现；由图 7（c）、（d）可知，在全负载范围内，变换器均实现了稳压输出。

图8给出了变换器正反向工作时，使用集成电感和分立电感的效率对比曲线。由图可知，在正向和反向工作模式下，集成电感的使用均提高了变换器效率，在全负载范围内提升了0.3%～0.6%不等，个别点提升1%左右，这是因为绕线在侧柱包裹气隙，涡流损耗增加，效率提升效果不明显，可通过设计另一种能够减小涡流损耗的磁芯结构进行改善。

图7 实验波形Fig.7 Experimental waveforms

图8 效率曲线Fig.8 Efficiency curves

4 结语

通过对双向LLC谐振变换器的工作模态及主要工作波形分析，得到该变换器变压器原副边2个谐振电感的集成方式不适合采用耦合集成的结论，进而采用一种特殊的磁集成方案，即解耦集成。详细分析了解耦集成的原理以及2种解耦方案，最后采用提供抵消磁阻磁路实现解耦集成的方案对双向LLC谐振变换器中的谐振电感进行了磁集成设计。最后，在一台48～400 V/1 kW的实验样机上进行了验证，结果证实了本文提出的解耦集成方案在双向LLC谐振变换器中应用的可行性和正确性，提高了变换器功率密度，提升了变换效率。