一种三电平组合式LLC谐振变换器

南昌航空大学 周 镇

针对直流变压器现有电磁干扰性能差、磁元件和驱动电路设计复杂等问题，提出一种三电平组合式LLC拓扑，此拓扑具有电压等级高、功率密度高及驱动设计简单等特点，能很大程度上提高谐振变换器工作性能。本文首先对所提出的LLC谐振变换器的工作原理、电压增益和软开关操作进行了全面分析，同时提出了一种适用于三电平组合式LLC谐振变换器的设计方法，重点讨论了励磁电感的设计考虑。通过采用所提出的设计方法，可以实现初级开关的零电压开关(ZVS)操作和次级整流器的零电流开关(ZCS)操作。最后，搭建了一个500W的实验装置来验证理论分析。

随着电动汽车充电以及新能源发电等领域对高能量密度日益增长的需求，具有软开关功能和高频特性的谐振变换器引起了各国学者的关注。LLC谐振变换器以其高效率、零电压开关和高功率密度等特点受到广泛应用。然而，LLC谐振变换器在大电流应用场合时，较大的谐振电流对变换器极其不利，且整流侧二极管反向恢复将导致电压尖峰大等问题。

国内外学者就此问题展开了相关研究，以期改善LLC谐振变换器在大电流应用场合下的工作性能。有关文献中研究了一种使用全桥拓扑的结构，考察了拓扑的控制策略和零电压开关(ZVS)，可以减少电磁干扰污染，提高转换器的可靠性。有关文献分析了三电平半桥DC-DC变换器的性能，并提出改进控制策略用于缩小开关频率范围，然而低电压输入时的效率低，并且谐振元件的应力大。

鉴于上述问题，本文提出了一种三电平组合式LLC谐振变换器拓扑并对其工作原理进行了分析，更进一步研究了电压增益特性。该拓扑结合了全桥拓扑与多电平拓扑结构优点，且组合式结构能缓解单个谐振腔的负担，从而减小磁性元器件体积，进一步提高了能量密度。最后，通过搭建实验样机验证了其可行性和合理性。

1 三电平组合式LLC谐振变换器

三电平组合式LLC拓扑结构如图1所示，高压侧采用全桥三电平拓扑、低压侧采用组合式整流拓扑，与中间级采用组合式LLC对称设计。

1.1 工作模态分析

图2为三电平组合式LLC主要的理论工作波形，以下对前半周期的工作原理进行分析。

图1 三电平组合式LLC拓扑

电路工作过程具体描述如下：

模态1 [t0-t1]：t0时刻，Q1、Q2、Q5导通，高压侧谐振电流iLr1、iLr2经其体二极管续流，两端电压为0，实现ZVS，iLr减小至0，高压侧励磁电流iLm开始线性减小，低压侧谐振电流is从零按照正弦规律变化，副边二极管实现零电流导通。

模态2 [t1-t2]：t1时刻，高压侧谐振电流iLr换向至正方向，iLr、is继续以正弦规律增大，低压侧电压钳位变压器励磁电感，高压侧励磁电流iLm线性增大。

模态3 [t2-t3]：t2时刻，Q1关断，iQ1给Q1的结电容C1充电，iQ1电流值较小，Q1可以实现准零电流开关(ZCS)，电路其它状态与模态2相同。

模态4 [t3-t4]：t3时刻，谐振电流iLr等于励磁电流iLm，副边二极管电流下降为零，实现零电流关断。此时励磁电感Lm不被输出电压钳位，谐振电容、谐振电感和励磁电感发生串联谐振，由于励磁电感感抗大于谐振电感，因此谐振电流在此阶段近似保持不变。

图2 三电平组合式LLC工作波形图

1.2 变换器增益特性分析

理想情况下，组合式对称谐振腔参数完全一致，因此可将两个谐振腔等效为一个谐振腔来分析，在基波分析法假设条件下，对单谐振腔基波等效电路分析可得电路的增益G为：

对式（1）进行分析计算并绘制图像，得到在Q=0.15时，增益G随参数k变化曲线如图3所示。分析图3可知，k值越大，直流增益G的归一化度越低，但更容易利用谐振变换器的漏感作为谐振电感。综上分析可知，较大的k值和合适的Q值是必须的。

2 变换器谐振参数计算分析

变换器的工作性能非常依赖于谐振参数的设计，而变换器的性能主要体现于正常运行下的电流回路损耗与软开关实现。由图1中的谐振电流iLr和励磁电流iLm波形可得高压侧谐振电流有效值为：

由式（2）可知，励磁电感Lm的选取对电流回路损耗影响较大，Lm应在满足谐振变换器工作条件下取大值。

为实现高效率转换，应保证LLC谐振转换器的软开关操作，因此有必要使用三电平组合式LLC谐振变换器的软开关操作。等效单谐振腔原边要实现零电压导通，即要使得励磁电流峰值ipk在死区内，能让对应开关管充放电完全，其关系式为：

式（3）中，Vin为输入电源电压，Cx为开关管的DS结电容，td为死区时间。

综合上述分析可知，励磁电感Lm的选取同时影响谐振变换器的电流回路损耗以及软开关的实现，且二者关系矛盾。故折中处理选取Lm为：

图3 直流增益G随ωn变化曲线

3 实验验证

在这一部分，搭建了一个500W实验样机来验证理论分析。主功率MOSFET采用IPW65R080CFD，开关频率98kHz，谐振电感Lr1/Lr212uH，谐振电容Cr220nF，励磁电感Lm1/Lm280uH，二极管采用C4D05120E。

图4为三电平组合式LLC谐振变换器开关频率为80kHz时的实验波形图。图4(a)示出了谐振电感器电流iLr1与iLr2以及Q1开关管的驱动电压波形，图4(b)示出了次级侧电流is和输出电压Vo的实验波形。从谐振电感电流波形可以看出，谐振电感电流iLr滞后于谐振电压VAB，因此实现了主开关的ZVS操作。同时，iLr1与iLr2近似相等，组合式谐振腔实现了良好的均流效果。此外，在整流器的相应关断信号到来之前，次级侧电流is减小到零，因此次级整流器没有反向恢复问题，并且实现了ZCS操作，且输出电压稳定。

图4 三电平组合式LLC实验波形

结论：传统的LLC谐振变换器采用频率控制或相移控制来调节输出电压，其开关频率工作范围宽、电磁干扰性能差、磁元件和驱动电路设计复杂。本文提出的三电平组合式LLC谐振变换器可以解决上述问题。本文对三电平组合式LLC谐振变换器进行了分析，包括系统拓扑结构、运行分析、电压增益和软开关操作，在此基础上提出了三电平组合式LLC谐振变换器的设计方法。通过采用所提出的方法，可以分别实现初级开关和次级整流器的ZVS操作和零电流操作以及通过组合式分流实现功率提升。最后，给出实验结果验证了理论分析的有效性与实用性。