高效率LLC谐振变换器的定频混合控制策略分析

余志豪

（湖北工业大学 湖北省武汉市 430068）

目前在全世界范围内都非常重视新能源产业的发展，这能够很好的解决面临的能源和环境问题，电动汽车在使用过程中，对环境是非常友好的，所以得到了很好的发展。电动汽车的应用推动了充电桩的发展，相关人员也非常重视对其进行研究，车载电池往往存在着比较广泛的电压变化范围，所以在设计相应的变换器时，往往会面临着很大的挑战。

1 LLC谐振变换器工作原理

本文以全球LLC 谐振变换器拓扑为例，其中公式（1）为电压增益，前提条件是变频模式。

其中，无限的输入电压以及负载两端电压分别用UinUout表示；谐振电感与励磁电感之间的比值用k 表示；副边等下倒圆边的电阻用Q 表示；变压器匝比为N。

电池的荷电状态如果出现改变，那么会影响到车载电池阻抗，如果需要充电，那么电池的输入电压会出现相应的变化。电压的增益曲线与开关频率存在着相应的变化关系。增益曲线如果出现了下降的趋势，那么开关频率是比较大的。开关频率要想很好的满足输入电压的有关需求，那么需要在相应的范围内出现变化。在对谐振网络参数进行设计时，往往会受到开关频率宽范围变化的影响，而面临着很大的设计难度。在对谐振参数进行设计时，采取定频变模式混合控制措施，能够很好的对上述问题进行解决。

2 定频变模式混合控制策略

在传统的控制措施下，要想使LLC 谐振变换器，满足电池宽输入电压的有关要求，就需要减小电感比。变换器的功率密度能够通过谐振电感值的增大而减小。谐振网络电流的有效值会随着励磁电感值的减小而增加，与此同时变换器的损耗也会有一定程度的增大。因此传统的变频控制措施不能够实现高效率和高功率密度的工作。要想很好的解决变频控制措施中存在的不足之处，可以使用定频变模式混合控制措施，在此过程中能够对直流电压增益进行科学合理的判断，根据实际情况切换不同的模式，如果直流电压增益比1 小，那么可以切换为定频移相控制策略，否则切换为电母线电压控制策略。

2.1 母线电压自适应控制策略

在应用母线电压自适应控制措施时，要了解相应的工作原理。在谐振频率点上工作的是后级LLC 谐振变换器，在此过程中，前级pfc 变换器会输出相应的电压参考值，通过对参考值进行改变，能够提升变换器的工作效率，输出电压也能够得到很好的调节，传导损耗以及励磁损耗也能够得到减小。在对电池电压进行采样时，一般情况下会采用隔离电压传感器，如果需要对pfc 及参考电压进行计算，那么可以根据公式2，在此过程中，电池电压如果出现变化，那么直流母线电压也会受到相应的影响而出现改变。在谐振频率处，如果是后级逆变器开关频率工作，那么能够消除一些损耗，提升工作的效率。

VD--次级二极管压降；

Ubusref--母线参考电压；

Uoref--负载两端参考电压。

2.2 定频移相控制策略

如果电压增益比1 要小，并且采用的是传统的控制措施，那么要想对输出电压进行减小，就需要增大开关频率。输出电压的调节范围与增益曲线的下降趋势有很大的联系，如果开关频率比较大，那么电压的调节范围就会受到限制。谐振网络电感比如果减小，那么增益曲线的下降趋势也会出现增加的情况，但是此时的变换器损耗会有一定程度的增加，功率的密度也会降低，电磁干扰和谐波现象会随着开关频率的增大而越发的明显，这给变压器的设计工作带来了困难。在此基础上，该文章探讨了定频移相控制措施。

该文章主要针对不同的模态进行了分析，分析的周期为半个工作周期。

（1）模态1(t0-t1)：在t0时刻，如果需要对变压器副边供电，那么开关需要导通，电流差值能够起到供电的作用。输出电压会影响到励磁电感，最终会被箝位到N=(Uout+VD)，此时的励磁电流会出现增长。

（2）模态2(tl-t2)：该种模态是在t1 时刻下进行分析的，此时的Q1 是关断状态，起到充电作用的是谐振电流，为了实现Q3零电压开通，需要与二极管并连续流。

（3）模态3(t2-t3)：这种模块是在t2 时刻下进行分析的。在此状态下，副边是能够接收到能量的，Q3 为0 电压开通，此时的谐振网络是没有进行供电的，谐振电流此时是比较大的，但是有所下降。

（4）模态4(t3-t4)：该种模态是在t3 时刻下进行分析的。在谐振过程中：电感以及电容等都参与其中，由于励磁电感的值比较大，而谐振频率比较小，因此谐振电流不具有明显的快速的上升趋势。此时的副边不能够继续传递能量，二极管出现了零电流关断的情况。

（5）模态5(t4-t5)：该模态是在t4 时刻下进行分析的。Q4和Q2并联电容在充放电过程中，主要是谐振电流起到了作用。二极管会与Q2 并联续流，实现零电压开通。

（6）模态6：该种模态是在t6 时刻下进行分析的，此时会进入下半个周期，工作的原理与上述是相同的。

3 LLC谐振变换器损耗分析

LLC 谐振变换器，在具体工作过程中，提升其效率是至关重要的，在此过程中，原边侧和副边侧的导通损耗都会影响到变换器的效率。

3.1 对传导损耗的影响

LLC 谐振网路中的输入方波电压可以通过傅里叶进行展开，可以参加（6），此时在谐振频率fr处，会有逆变器开关管工作，该处的带通滤波器可以与谐振网络等效。在分析变换器效率时会受到谐振电流的影响，此时可以对变换器内部的环流进行忽略，这样才能够保证分析的便利。

3.2 谐振网路参数对关断损耗的影响

谐振变换器效率往往会受到开关管的光电损耗，这主要是因为开关管能够实现零电压开通。关断损耗可以参见下式：

tfall--开关管的关断时间；

CHB--半桥的等效电容值；

Ioあ--开关管关断时电流值；

通过上述数字可以看出，要想对开关管的关断损耗进行减小，可以对励磁电感值进行增大。

3.3 对磁芯损耗的影响

铁磁物质在具体工作过程中会消耗能量，这种现象称为磁芯损耗，这同样会对效率产生很大的影响。谐振电感以及变压器都属于铁磁材料，相应的损耗可以通过下列式子进行计算：

ΔB--磁感应强度摆幅。磁感应强度百伏主要决定的是磁性的损耗，前提条件是材料的类型固定。

4 LLC谐振变换器参数设计

要想很好的实现输出电压宽范围变化，要在变频控制的措施下，采取开关频率的调节措施。如果负载比较轻，那么需要对输出电压进行减小，此时要增大开关频率，但是开关损耗会有所增加。如果负载比较重的情况下减小开关的频率，那么导通损耗会有一定程度的增加，此时的谐振网络环流也会增大。该文章所探讨的是开关频率固定的条件下，对变频控制测试中存在的问题进行解决。电压增益对频率的变化是比较敏感的，为了极大的减少该种敏感的程度，需要对电感比值进行增大，这样能够保证增益曲线的变化是比较缓慢的，在此过程中需要对励磁电感和谐振电感进行增大。要想保证变换器的磁集成度得到提升，就要保证变压器漏感来提供谐振电感，此时需要对相应的参数设计值进行调整。要想提升传输的效率，可以通过谐振电流的减小以及地磁电感的增大来实现。在对变压器的磁芯窗口的有效面积进行计算时，可以参考下列式子。由此可以看出，变压器的体积能够通过励磁，电感值的增大而减小，最终能够实现功率密度的提高。

Kf--波形系数；

Kj--电流密度；

Irms1--变压器初级电流有效值；

Irms2--变压器次级电流有效值；

Tr--谐振频率fr的倒数；

由以上可知，要想对变换器的功率密度以及传输效率进行提升，可以对励磁电感值进行增大，此时的谐振电流值会出现一定程度的减小，因此，在此过程中需要在规定的时间内完成电容的充放电。谐振电流最小的情况下，移相角θ 是比较大的。

5 实验结果

若工作模式为定频变母线电压，输出电压和输入电压分别为30 伏，250 伏。则其二极管反向恢复损耗得到了相应的减小，功率开关为零电压开通。逆变器的输出电压比谐振电流提前，开关管为零电压开通，二次侧整流管为零电流关断。通过实验可以看出，在文章所探讨的控制措施具有正确性。

该文章在探讨相应的谐振网络参数时，输入输出条件是相同的，对不同的模式下的参数进行了相应的对比。由此可以得出，该文章所探讨的母线电压自适应控制措施能够在重载的情况下，能够很好的固定逆变器的开关频率，变频控制模式下的环流也得到了很好的减少。在额定工作时，相应的谐振电流能够通过该文章提出的写着网络参数设计方法，得到相应的减少，与此同时，工作效率也能够得到提升。

6 结束语

由以上可知，该文章基于车载锂电池宽电压特性而提出的混合控制措施，能够很好的保证变换器转换效率的提升。母线电压自适应控制措施主要适用于电压增益大于等于1 的情况。定频移相控制策略主要适用于电压增益小于1 的情况下，在此情况下，能够对输出电压的变化进行相应的调整。该文章探讨的控制策略主要是在谐振频率处进行探讨的。励磁电感参数会影响到谐振变换器的传输效率，在此基础上能够对相应的网络参数进行优化设计。通过上述实验可以看出，在定频变模式混合控制策略下，相应的传输效率要比传统的控制策略要高，解决了相应的零电流关断问题，提高了整体的传输效率以及功率密度。