LLC谐振式DC/DC变换器的研究

芮 彬

（南京磁谷科技股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 前言

汽车产业可以视为推动我国国民经济良好发展的支柱型产业，该产业不仅对我国社会经济发展产生了至关重要的影响，同时也对我国汽车领域的长足发展产生了至关重要的影响。近些年来，随着我国汽车领域的不断发展，以电动汽车为首的汽车类型逐渐成为汽车市场发展的主流趋势。其中，国务院及相关部门针对新能源汽车产业的发展规划提出了明确的要求[1]。并在部署规划中反复强调电动汽车产业对我国经济社会发展所起到的重要作用。因此，可以把电动汽车看作是我国汽车行业未来的发展趋势。对于电动汽车来说，充电桩是其重要的组成部分。充电桩主要由两级结构组成；其中，后级电路的结构与控制情况往往会对充电系统整体的应用性能产生至关重要的影响；同时，也会对蓄电池的使用寿命产生至关重要的影响。而DC/DC变换器作为后级电路的重要组成部分，它的性能情况往往会对充电速度及效率产生一定影响，因此，必须高度重视对DC/DC变换器的研究。

1 LLC谐振式DC/DC变换器的应用发展研究

1.1 DC/DC变换器的应用现状

结合当前充电桩的应用情况来看，充电桩系统必须满足在高压大功率场合应用的需求，且在输出方面也应该处于连续可调的状态，这样才能确保充电桩的良好应用。为了满足该运行要求，在后级的DC/DC环节中，设计人员应该优先利用高频隔离型变换器进行操作应用。一般来说，高频隔离型变换器的拓扑结构可以从单级拓扑结构与双级拓扑结构2个类型进行研究与分析。其中，单级拓扑结构在变换器结构的组成方面，主要由正激/反激、移相全桥以及LLC谐振半桥/全桥等组成。在正式应用过程中，反激变换器结构较为简单且易操作，但是该变换器结构只适用于小功率场合，无法满足充电桩的运行需求。

正激变换器、移相全桥变换器在使用过程中都会出现不同程度的隐患，难以满足充电桩安全运行的需求。相比于上述几种类型的变换器，LLC谐振变换器的优势较为突出，例如LLC谐振变换器不仅可以满足宽输入电压的要求，同时还可以确保开关管始终处于零电压开关（ZVS）的模式；最重要的是，二次侧的整流二极管也能满足零电流关断的需求，可以有效地减少其他变换器运行期间存在安全隐患的问题。但是需要注意的是，LLC谐振变换器在应用过程也存在某些问题，例如系统调节频率变化表现较大，导致LLC参数设计以及控制方法设计存在一定难度[2]。

1.2 LLC谐振式DC/DC变换器的应用原理及优势

从客观角度来看，LLC谐振式DC/DC变换器电路的开关过程主要是通过引入谐振效应来满足软开关工作的需求，例如当电压或电流处于过零状态时，控制开关管可以自动导通或者关断，从而有效地减少开关损耗的问题。一般来说，软开关技术在应用层面上可以从零电压开通与零电流关断2个方面进行研究与分析；其中，开关管在软开关以及硬开关通断的状态下表现出来的运行原理不同，如图1、图2所示。

图1 硬开关状态电压电流示意图

从图1和图2可以看出，合理应用软开关技术可以大幅度地提高开关电源工作的频率。与此同时，合理应用软开关技术还可以大幅度地提高变换器的效率和功率密度。最重要的是，软开关技术在一定程度上减少了电磁干扰（EMI）与开关噪声的问题，具有重要的应用价值。结合以往的研究经验来看，软开关技术在拓扑结构方面主要以传统谐振的串联谐振变换器以及并联谐振变换器的方式进行操作应用。但是由于这2种方式在宽输入电压范围存在较大的缺陷（例如电压增益范围受限问题明显、关断损耗问题严重等），会导致在具体应用过程中，容易出现效益损失的问题。

图2 软开关状态电压电流示意

近几年，为了解决该问题，行业内部人员主张利用多谐振变换器运作的方式，将电感与电容混合连接，初步解决了传统串联谐振变换器与并联谐振变换器存在的缺陷。出现上述缺陷的原因主要是由于谐振变换器在电感与电容方面需要按照实际运行需求采取不同的排列方式，从而导致存在多种拓扑结构，例如LLC、LCC等。除此之外，多谐振变换器在重载作用下可以具备良好的串联谐振变换器（SRC）变换器特性；在一定负载范围内可以发挥自身良好的调节能力，确保变换器的运行安全[3]。

目前，以半桥LLC谐振变换器为首的多谐振变换器已经在各生产领域中得到了广泛地推广与应用。根据应用反馈情况来看，作业人员可以利用半桥LLC谐振变换器拓扑结构的优势以及软开关的特性，减少以往变换器工作效率低下以及工作质量不高的问题。最重要的是，半桥LLC谐振变换器在拓扑驱动控制模块有多种表现，可以为变换器的操作运行提供良好的保障。即使是该拓扑结构存在上下桥臂结构的问题，导致开关管控制相对复杂，但是从整体应用效果上来看，变换器还是可以为系统结构提供良好的运行性能。

2 LLC谐振式DC/DC变换器拓扑结构设计与分析

为了满足变换器高功率密度与高功率等级的设计需求，在具体设计过程中，设计人员要针对LLC谐振式DC/DC变换器的拓扑结构进行重点研究与设计。其中，在设计DC/DC环节时，主要利用两级结构模式进行综合设计与分析。前级主要利用半桥式LLC谐振式串联方式进行连接处理，并结合宽输入电压范围以及全输出复负载范围，实现软开关的应用性能[4]。对后级结构的设计，主要利用C-UK电路交错并联级联方式进行交互连接，以便进一步增大系统电压增益效果及调节范围。

2.1 半桥LLC工作模态分析

该节主要针对两级DC/DC变换器的前级半桥LLC结构设计问题进行阐述与研究。一般来说，两级DC/DC变换器的前级半桥LLC结构在元器件的组成方面，主要以上下桥臂的开关、和谐振电容以及谐振电感等为主。其中，变压器原边的励磁电感可以为半桥LLC结构的运行提供良好的保障。变压器副边结构，主要是由2个匝数相同的绕组构成的，主动结合低导通阻抗开关管形成了同步整流电路体系。这样一来，不仅可以有效地减少导通过程的损耗问题，同时还可以为后级电路稳定输入电压提供良好的保障[5]。

2.2 半桥LLC参数优化设计

在半桥LLC参数优化设计方面，该文主要利用基波分析假设法将交变换器工作状态设定为临界连续状态。该设置的主要目的在于确保励磁电感可以保持钳位状态，同时不参与谐振过程。结合相关原理可知，当开关管的工作频率与偏离谐振频率保持一致时，励磁电感所参与的谐振时间会明显增加；这样一来，会直接导致系统的工作状态从临界模式转变为断续模式。随着工作状态的不断改变，输出侧的交流等效阻抗也会发生一定变化，容易导致实际结果与预期存在较大偏差。因此，断续模式理论无法满足系统设计的需求。为了及时解决该问题，在半桥LLC参数优化设计过程中，研究人员可以利用功能危险性分析法（FHA分析方法）进行优化，获取更加精确的数据内容。

在改进处理过程中，该文主要利用MATLAB的编程方法来实现自动计算的过程。根据实际应用的反馈情况来看，改进后的增益模型不仅可以满足电流在断续模式状态下数值的精确性，而且还可以满足传统FHA方法的应用原理，具有重要的应用价值。最重要的是，改进后的增益模型在运行精确度方面有了大幅度的提高，这为后续参数优化的工作提供了较大的便利。在正式应用过程中，设计人员需要根据系统需求输入合理参数，并根据相应参数求得变压器匝比值和变换器的增益范围；并在该基础上，选择合适的电感系数，确定变换器工作频率的区间范围[6]。

2.3 软开关特性分析

利用半桥LLC变换器作为前级DC/DC环节的根本目的是为了实现软开关的应用功能，确保开关管的零电压与整流开关管零电流始终保持稳定的工作状态。这样一来，既可以减少系统损耗的问题，又可以实现对系统增益大小的调节管理。由于LCC变换器存在LCC谐振回路的问题，因此可能会导致电流与电压波形之间出现明显的相位差。从相关理论推导来看，当谐振电流明显低于谐振电压时，变换器将处于软开关的工作状态中。除了谐振频率之外，品质因素也可能会对电压的增益问题产生直接影响。因此，选择合适的品质因素不仅可以满足软开关的增益范围，同时还可以实现对LLC变换器的控制管理。

2.4 损耗分析

在半桥LLC谐振变换结构体系当中，内部元器件主要是由开关管、电感、电容以及变压器等构成。在上述元器件的相互作用下，可以实现零电压导通；最重要的是，该过程所造成的系统损耗问题较小，可以满足节能降耗的需求[7]。

3 C-UK变换器与稳态均流问题的研究分析

3.1 C-UK变换器分析与设计

在该系统结构中，对后级结构的选用主要以C-UK变换器为后级结构。在后级结构组成方面，该系统主要利用2个C-UK模块以并联方式进行连接处理。根据C-UK变换器的工作原理以及参数情况（如图3所示），来确定系统运作的模式和实际需求。因为C-UK变换器输入端与输出端均存在电感器件，所以，在正式运行过程中，可以明显减少输出电流与输入电流的问题，起到了滤波的作用。C-UK变换器与前级变换器不同，其主要利用连续模式进行运行，在应用中可以表现出电压增益的效果。除此之外，电路中电感值表现较大，滤波效果显著且EMI数值较小。

图3 C-UK变换器等效电路示意图

3.2 交错并联C-UK变换器的均流分析

在该文研究分析的过程中，后级C-UK变换器主要利用交错并联结构实现在实际环境中的应用。其应用优势主要表现在以下3点：1） 在相同输出效率条件下，交错并联结构一般不需要借助较大的电感进行操作运行。2） 在开关频率恒定不变的条件下，输出电压纹波频率会随着相数的增加而发生明显改变。3） 多相并联拓扑结构可以明显减少每一相所承受的电流应力，还可以增强选型的自由度效果，且拥有良好的热量管理效果。最重要的是，它还可以大幅度减少以往设计方法存在的能耗问题，具有一定的实行价值。

4 结论

该文主要针对LLC谐振式DC/DC变换器的拓扑结构设计问题以及优化问题进行研究与分析。其中，为了确保直流变换器运行的稳定性与高效性，在前级结构设计方面主要利用半桥串联LLC谐振结构的方法实现了软开关设计的需求。同时，在上下开关管所涉及的电压应力问题较小，可以有效地减少开关损耗的问题。此外，在选择后级变换器时，系统结构主要采用交错并联的方式，初步满足了升降压功能，可以满足充电桩对输出电压的需求。综上所述，虽然该文所研究的方法在细节设计上并不完美，但是从实践应用的角度来看，该方法具有较强的可操作性，值得推广与应用。