非对称半桥交错并联输出式LLC谐振DC-DC变换器设计
2021-04-23张玮麟张耀昌刘东立
张玮麟, 张耀昌, 刘东立
(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院,黑龙江 哈尔滨 150027)
0 引 言
在开关电源追求高功率密度化和高频化的背景下，LLC谐振技术迅速发展，能够良好实现软开关技术的LLC谐振变换器是开关电源领域研究的热点问题。同时，为了减小输出端电压纹波，增大变换器功率密度，交错并联技术通常在大功率场合也得以应用。
文献[1]提出了一种CLLLC谐振式双向桥式DC-DC变换器，对其工作特性进行了分析，给出了软开关实现的仿真结果，但是缺少理论分析，结果可靠性较低。文献[2]提出了L-LLC谐振型双向DC-DC变换器的最优控制策略，但是控制策略过于复杂难以实现。文献[3]提出了一种三电平LLC谐振变换器及其控制方法，电路结构具有创新性，但电路结构复杂，可靠性低且实用性不强。文献[4-6]对LLC变换器的高频特性进行了分析，但是分析的模型太过理想化，不适合实际应用。文献[7-9]对不同结构的LLC变换器效率特性进行了分析，给出了提高效率的途径，具有一定的借鉴意义。
为了提高变换器的功率密度和输出容量，基于交错并联技术，设计了一种交错并联输出式LLC谐振DC-DC变换器，通过变压器的二次侧分级，使得两路输出端交错并联，实现提高功率密度的目的。分析了不同工作频率下的变换器工作原理，研究了变换器的功率特性，对LLC变换器系统的等效进行分析电路。对设计的交错并联输出式LLC谐振DC-DC变换器进行了电路仿真和样机测试，验证了设计的变换器在工作过程中开关管能够实现零电压开关(ZVS)，效率得到有效提高，在增大输出容量的同时提升了变换器功率密度。
1 电路原理分析
设计的非对称半桥交错并联输出式LLC谐振DC-DC变换器如图1所示。其中，U1为输入侧直流母线电压，U2为输出负载侧直流母线电压，变压器一、二次侧匝数变比为n。S1～S10为电路结构中的开关MOS管，VD1～VD10为各个开关MOS管的反并联二极管，C1～C10为各个开关MOS管的结电容，Cr和Lr为谐振腔的谐振电容和谐振电感，Lm为一次侧励磁电感。一次侧选择两路变压器串联的结构，可以等效为一路变压器，二次侧为两路交错并联的桥式整流结构，利用MOS管进行整流，有利于实现同步整流，减小损耗，进一步提升变换器效率。
图1 非对称半桥交错并联输出LLC谐振DC-DC变换器
设计的非对称半桥交错并联输出式LLC谐振DC-DC变换器开关管频率为fs，整个电路工作过程中存在2个谐振频率点，有主谐振频率：
(1)
有次谐振频率:
(2)
变换器能工作于f2
变换器工作波形如图2所示。其中，Ugs1和Ugs2为S1和S2的驱动信号，二次侧结构为S3～S10的整流结构。T为开关管的工作周期，D为占空比，Ir和Im为谐振电流和励磁电流。
模态1(t0～t1)：开关管S1的体二级管VD1导通，电容Cr和电感Lr发生谐振，谐振腔向电源回馈电能，电感Lr两端电压逐步减小，电流也减小。二次侧第一路输出中开关管S3和S6体二极管导通，在第一个工作阶段的末尾，谐振腔一次侧的谐振电流方向将会改变。
模态2(t1～t2)：开关管S1开始导通，谐振腔一次侧电感电流反向，并且不断增加。谐振腔二次侧开关管S3和S6体二极管持续导通，当谐振腔一次侧电流增大到变压器励磁电流时，励磁电流将会逐渐转化到变压器中励磁，二次侧整流开关管S3和S6将会关断。
模态3(t2～t3)：开关管S1和S2同时关断，在此过程中S1的结电容C1充电，S2的结电容C2放电，电容Cr和电感Lr发生谐振。当C2电容放电完毕两端电压为零时，为S2的导通提供了ZVS的基础。
模态4(t3～t4)：开关管S1关断，C2放电完毕后VD2会直接导通，谐振腔的电流会持续减小。电容Cr和电感Lr继续发生谐振，二次侧第一路输出中开关管S4和S5体二极管导通。VD2在导通期间，当开关管S2的驱动信号来临时，S2会直接导通，实现ZVS。
模态5(t4～t5)：S2开通后，电容Cr和电感Lr继续发生谐振，谐振腔内电流反向增大。谐振腔二次侧第一路输出中开关管S4和S5体二极管导通，谐振电感两端的电压为变压器二次侧折射过来的钳位电压。当谐振电流增大到励磁电流后，开关管S4和S5体二极管关断。
模态6(t5～t6)：开关管S1和S2同时关断，在此过程中S1的结电容C1放电，S2的结电容C2充电，Cr和电感Lr发生谐振。当C1电容放电完毕两端电压为零时，为S1提供了ZVS的基础。
图2 工作波形图
其中，变压器二次侧两路交错并联的整流结构工作状态一致，交错并联结构增加了整个变换器系统的容错率，也达到了输出扩容的目的，提高了变换器的功率密度。二次侧整流结构采用MOS管进行整流，实现了同步整流的目的，进一步提升了整个变换器的效率。
2 等效电路分析
可知LLC变换器在谐振过程中有电感和电容的参与，工作过程中等效的电路图如图3所示。
图3 谐振网络等效电路图
根据图3可得整个谐振电路输入到输出的传递函数:
(3)
(4)
LLC变换器的直流电压增益与k、Q和f有关。通过推导可得LLC变换器阻抗特性为
(5)
阻抗特性可以为容性也可以为感性，当工作频率为f1时，输出阻抗与输入阻抗没有相位差，电压电流没有相位差，此时Lr与Cr发生谐振Lm在此阶段持续被充电，负载能量由Lr与Cr提供。
在已知变压器匝数比n、f、Q值一定的情况下，通过改变k值得出的系统增益关系曲线如图4所示。由图4可读取不同k值下单位增益交点处的开关频率值，取k为2、4、6、8、10。从图4可以看出k值越小最大增益点越高，在得到相等的输出电压增益条件下归一化频率调节范围越窄；k值越大，Lr+Lm与Cr的谐振频率点逐渐往右移动，串联谐振表现越明显，在得到相等的输出电压增益的条件下归一化频率调节范围越宽。除此之外随着k值的增加会使Lr感值增大，从而使谐振电流会变小。k值越大，MOS管在谐振点处的导通损耗和开关损耗越低。
图4 k值与LLC变换器增益变化曲线
在得到相同的增益情况下，为了获得较为平稳的输出电压，k的取值一般为2.5～6之间。
3 不同区域工作特性分析
LLC谐振变换器输入中点电压和电流相位对MOS管能否实现软开关有很大影响。当输入电压超前电流时，输入阻抗呈现感性状态，变换器可以工作在软开关状态。LLC变换器输入阻抗为
(6)
可得归一化输入阻抗：
(7)
进而得到归一化阻抗幅角：
Zin(f,k,Q)=
(8)
输出短路情况下容性与感性分界点所对应的归一化频率fn，当fs 图5 负载区域对应图 在不同负载情况下，输入电路的输入阻抗特性曲线均会相交于一点，此点所对应的频率为 (9) 当fs>fnc时，随着负载的增加输入电路阻抗逐渐减小，输入电路电流增加。当fs 感性区有利于变换器的工作，容性区和感性区和分界点处有： (10) 故变换器工作在感性工作区域内，应使谐振网络输入电压超前输入电流，从而更容易实现MOS管的ZVS过程。 根据图6可知，谐振频率高于增益峰对应频率时，谐振网络的输入阻抗为感性，开关管更容易实现ZVS。谐振频率低于峰值增益对应频率时，谐振网络的输入阻抗为容性，开关管的体二极管存在反向恢复过程，会产生严重的噪声。 图6 工作区间分析图 谐振网络不同增益条件下开关管对应不同工作区域，但是在容性区间和感性区间分界的某一谐振频率点处系统增益达到最大值，有利于开关管ZVS和零电流开关(ZCS)过程的共同实现，变换器应尽量工作在这一频率段。 根据图7中的不同开关频率下所对应的变换器增益G1～G9可知，在低频状态下更容易实现开关管的ZCS过程，随着开关频率的增大逐渐进入ZVS过程，在2个过程的转换中系统的增益存在最大增益点。在进行系统的设计时，应尽量将开关频率设计在最大增益点附近。 图7 区域划分图 在Saber仿真软件中对所提非对称半桥式LLC变换器和交错并联非对称半桥式LLC变换器进行仿真设计，仿真过程中设置的电路参数如表1所示。 表1 电路试验参数 根据表1的参数进行仿真试验，非对称半桥式LLC变换器电路中励磁电感Lm两端电压值存在钳位过程，其电流为典型的电感充放电三角波，谐振电感Lr参与谐振过程，其电流波形为正弦波，LLC电感电流波形如图8所示。 图8 LLC电感电流波形 图9 普通结构中fs=f1时开关管波形 普通非对称半桥LLC变换器一次则开关MOS管波形如图9所示。可知，导通时漏源极电压先降为零值后栅源极的驱动信号才来临，开关管能够实现ZVS过程。但在开关管关断时，驱动信号消失时承受了直流侧电压，为硬关断过程。 交错并联非对称半桥LLC变换器一次侧开关MOS管波形如图10所示。在开关管导通时漏源极电压先降为零值后栅源极的驱动信号才来临；在开关管关断时，驱动信号和开关管电流消失后开关管才承受了直流侧电压进而出现，整个开关过程均为软开关过程。 图10 交错并联结构中fs=f1时开关管波形 搭建500 W交错并联非对称半桥LLC变换器试验样机，如图11所示。参数见表1。输入部分采用两路交错并联的结构，共用高频变压器和谐振电感，输出部分采用分立的谐振电容和滤波电路。 图11 试验样机 图12 电路一次侧工作波形 交错并联非对称半桥在200 V输入48 V输出满载情况下，电路的开关管波形和电容波形如图12所示。可知开关管能够实现零电压关断，且电容Cr出现谐振过程。 交错并联非对称半桥式LLC变换器相对于两路普通非对称半桥LLC谐振变换器共用了高频变压器和谐振电感，使得输出功率容量得到了扩充，节省了变换器的体积，提高了功率密度。额定功率为500 W的交错并联非对称半桥式LLC变换器相对于普通非对称半桥LLC谐振变换器测试效率如图13所示。同样功率等级下，交错并联非对称半桥式LLC变换器中两路单独LLC变换器共用了变压器和谐振电感，减小了部分损耗，使效率得到了有效的提高。 图13 效率对比图 通过仿真结果和样机测试可知，设计的非对称半桥交错并联输出式LLC谐振式变换器一次侧开关管能实现ZVS过程。交错并联结构能够使输出变换器的容量扩大，变换器的功率密度和效率得到提升。 本文设计了一种非对称半桥交错并联输出式LLC谐振式变换器，有效提高了变换器的功率密度，扩大了输出容量。分析了变换器的工作过程，给出了等效电路图，研究了不同k值对变换器的影响。研究了不同谐振频率下变换器的工作区域分布，得出了在不同的工作区域中开关MOS管实现软开关过程难度不等的结论。通过仿真和样机测试验证了设计的变换器开关管能够实现ZVS，同时有效减小了变换器的开关损耗。
4 试验验证
5 结 语
