三相交错LLC谐振变换器空载问题的研究

刘宏洋，张萌，何清林

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江哈尔滨，150022）

0 引言

LLC谐振变换器拓扑结构简单，且可在原边实现ZVS以及副边实现ZCS，所以其应用已进行了长足的发展，相较于过去的几十年，应用领域已越来越广泛，以至于对LLC谐振变换器的性能、效率、功率密度、EMC、EMI等提出了更高要求。对于单相LLC谐振变换器来说，在输出端只设置电容作为滤波元件，并无电感，变压器二次绕组注入的整流正弦波电流在输出滤波电容上产生了较大的电压纹波，谐振频率又是开关频率的二倍，这就导致了滤波电容量需要很大，就会不利于功率的等级提升。而三相交错LLC谐振变换器除LLC变换器的众多优点之外，还由于三桥臂互差120°，此拓扑易于均流，利用相位差，使电流相互交叠，消除一部分纹波，导通电流有所降低。

LLC谐振变换器工作在不同环境中时，随着负载工况的改变及输入侧电压的差异，原边会失去软开关特性，变为容性开关，使工作的可靠性降低，尤其是在轻载工况时，开关频率高就会使开关损耗急剧上升，致使输出侧电压不受控制，变换器效率降低，而在传统的设计中一般会选择增加假负载，但无形中增加了一部分额外的损耗，因此解决以上问题和轻载时增益失真问题就十分重要。

1 设计方案

1.1 三相交错LLC谐振变换器结构

三相LLC谐振变换器采用星型联结，可实现各相均衡电流，每一相都有开关、谐振腔、变压器、整流滤波单元以及负载构成。开关网络是由三相半桥逆变的六个功率开关管组成，每一个功率开关管都会并联一个体二极管，正是由于体二极管的存在才实现了软开关；谐振网络包括谐振电感Lr、谐振电容Cr和励磁电感Lm；变压器和整流网络进行能量的传输；滤波网络对输出端产生的电流纹波进行吸收，以延长变换器的运行寿命；而负载就代表着变换器的运行工况，负载的不同就需要不同的控制策略，以避免在轻载状态时电压失控现象的发生，所以使变换器在不同工况下都能稳定运行是非常重要的。

1.2 空载优化问题的研究

图1 电路原理图

LLC谐振变换器中存在寄生元器件，在重载运行时，这些寄生元器件对电路有极小的影响，甚至没有影响，但是随着所加负载的逐渐减轻，寄生元器件的影响就开始显现，甚至可以影响电路的正常运行。在三相LLC谐振变换器中变压器的匝间电容和副边整流二极管结电容就是主要的影响因素，将其统称为寄生电容，其表达公式为：

图2 FHA下的电路等效模型

在整流网络中器件都为纯阻性，因此电压与电流不存在相位差，则整流网络输出端的电流（IO）与输入侧电流的有效值（Ir）之间的关系为：

中心抽头式变压器原边副边匝数比为n:1:1，将输出侧阻抗换算到原边，对输出侧阻抗进行归一化处理，得：

得轻载工况下传递函数：

则轻载工况下增益为：

由图3可见，随着负载工况的减轻，寄生电容的影响会变得愈来愈明显，在谐振网络中会多出一个高频率的谐振点，而考虑到寄生电容因素影响曲线示意图才会与现实工况相接近。在实际工况中，随着负载的逐渐降低，输出侧电压就会不断升高，工作频率就会随之增大，由于寄生电容的存在，达到某一工作频率范围时，增益曲线就会重新多出一个拐点频率，导致输出端电压不稳定，增益就会失真。为优化寄生电容在轻载工况中的影响，就需要合理的设计Q值和k值。

图3 考虑寄生电容影响下的直流增益曲线图

当阻抗角极小时，谐振网络会工作在感性区域与容性区域之间的临界区域，此时的变换器会存在一定的运行风险，所以Q值要相对小于Qmax，使变换器稳定工作，以实现原边的ZVS。随着Q值得减小，增益电流就会愈来愈大，负载变小得情况下所受寄生电容干扰就会愈来愈强，增益曲线的性能就会变差。

如图1-4所示，当k值不同时，相应的直流增益曲线也不尽相同，工作频率也不尽一样。当k值愈来愈大时，直流增益却愈来愈小，所得到的工作频率的范围就愈来愈大，那也就是说所有的变量中只有k值发生变化时，相同负载工况下，Lr和Cr是一定的，k值变大，那么随之变大的就是Lm，那么励磁电流就会降低，以至于开关损耗也会随之变小。

图4 不同k值下直流增益曲线图

2 实验结果

输入侧电压给定为400V，Q值给定为0.323，k值给定为 6，Lm、Lr、Cr的给定分别为：10.224uH、1.276uH、483.76nF，工作频率范围设定为100kHz～200kHz，通过调节变换器的带载能力，分别测得重载工况与轻载工况下的输出侧电压波形、驱动脉冲信号波形以及变换器一次侧电压输出波形，波形如图5、图6所示，可以清晰的看出，在轻载工况下，其驱动脉冲信号波形和变换器一次侧电压输出波形仍存在失真，这正是因为有寄生电容的存在，才导致该现象的产生，所以要继续优化Q值、k值，以削弱寄生电容的影响。

图6 轻载工况下波形图

3 结论

在此处分析了变压器匝间电容与整流管结电容对三相LLC谐振变换器轻载工况时的影响，在轻载工况下如果不考虑寄生电容，所生成的直流增益曲线与实际情况有很大的出入，导致变换器不能在全工况下稳定运行，甚至会损坏变换器。通过分析优化变换器轻载启动的因素，以确定出最优的Q值与k值，将损耗与危害降到最低，最后通过实验来证明理论与策略的正确性与可靠性。