双向LLC谐振变换器的设计与仿真

赵纪 朱飞宇 荆禹鑫 马峥 钟欣蒙

摘要：本文对新能源发电系统用双向LLC谐振变换器进行具体研究，首先对双向LLC谐振变换器的工作原理进行了分析，并对谐振参数进行了设计，最后，对双向LLC谐振变换器在PLECS平台进行仿真分析，搭建1000w，400V/48V的实验样机，对实验结果进行分析，证实了理论分析和设计方法的正确性，实现了对新能源发电系统用双向LLC谐振变换器的控制。

关键词：双向 LLC谐振变换器;谐振参数;PLECS仿真

1.引言

现如今，由于世界各国的需求越来越大，价值也在不断提高，LLC谐振变换器开始进入一些相关技术人员的研究视线范围内。现阶段，相关技术人员对于LLC谐振变换器的分析基本上都是通过模拟控制的方法。但模拟控制存在很多问题，包括系统的灵活性比较差，结论的可靠性不高，还有其中涉及到的电路都比较繁琐复杂。相对的，数字控制对于复杂的电路具有很好的简化作用，对于一些电子元器件产生的接触不良或者电磁影响，它也能进行很好的检测和排除[1]，因此对LLC谐振变换器的数控研究是当下一大紧迫任务。

2.基本原理

由图1-1可知，双向LLC谐振变换器主电路是互相对称的两个结构，其中D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8：中的IGBT为开关管;C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8：为寄生电容;L3为励磁电感;Lr1、Lr2为谐振电感（Lr1=n2Lr2保持同样的方向特性）;Cr1、Cr2为谐振电容（Cr1=Cr2/n2保持同样的方向特性）;

n为变压器变化比例（n=V1/V2）[2]。

变换器分为两个部分：原边和副边。其中，原边与直流母线相连，输入电压为V1;副边与发电端或者负载端相连，输出电压为V2。由图1-1的拓扑结构可以看出，变压器分为左右两侧。其中，左侧为高压侧，右侧为低压侧。正方向：能量或者电力从高压侧流向低压侧的运行模式。反方向：能量或者电力从低压侧流向高压侧的运行模式。

当变换器经历正方向运行模式的时候：开关管D1、D2、D3、D4接收到占空比为50%的互补驱动信号，实现逆变功能，此时，开关管D5、D6、D7、D8没有接收到驱动指令，保持停止状态，通过D5、D6、D7、D8中的二极管部分实现整流操作。当变换器经历反方向运行模式的时候：可将励磁电感等效到变压器副边，则结构与正向工作时完全相同，不管变压器处在哪种工作模式下，都能保证输入侧功率开关实现ZCS开通，输出侧整流二极管ZCS关断。

这样的双向LLC谐振变换器不仅将一般的LLC谐振变换器的优点保留下来了，还能够根据将内部电路系统进行检测优化，使得谐振变换器主电路对称起来，正反方向的运行模式变得一直便于对双向LLC谐振变换器分析与设计。同时，无论谐振变换器正在经历哪个运行过程，都可以满足—端功率开关管的ZVS，另一端整流体二极管保证ZCS。因为双向LLC谐振变换器的系统电路结构处于对称的状态，所以他们正反向的工作原理是一样的[3]。

2.器件选型、参数计算

双向LLC谐振变换器的具体参数设计指标为：

高压侧电压V1：400V

低压侧电压V2：48V

谐振频率fr ：100kHz

正向工作的满载功率1000W

反向工作的满载功率1000W

工作频率的范围为60kHz--100kHz

最大增益为1.05

之后根据设计指标进行计算参数：

根据AP法对磁芯进行选择，最后确定变换器的磁芯为G36型号的罐型磁芯，其Aw=3.45cm2，Ae=2.02cm2，满足设计要求。

最大品質因素Qmax为：

M为谐振槽路增益，在选取品质因数的时候应该保留一定裕度，所以选择Qmax的百分之五九十五，即Q=0.15当k和Q的值确定后可根据公式（2-2）进行计算。

谐振电容Cr：

进而可得低压侧谐振电容Cr2为。

令变压器变比n为25：3。高压侧励磁电感Lm为，高压侧谐振电感Lr1为：

低压侧谐振电感Lr2为：

最后，利用所得到的双向LLC谐振变压器的具体参数进行仿真分析。

3.仿真结果及结论

从图3-1可以看出，双向LLC谐振变换器在正向运行的时驱动信号Vgs降低至0时，开关管两端电压信号Vds为零，实现了ZVS，从而得知选取的参数是可行的。副边二极管实现ZCS[4]。

参考文献：

[1]朱立泓.LLC谐振变换器的设计[D].浙江大学，2006.

[2]胡海兵，王万宝，孙文进，丁顺.邢岩.LLC谐振变换器效率优化设计[J].中国电机工程学报，2013，（18）：48-56+16.

[3]戈现勉.高效率LLC谐振变换器研究[D].浙江大学，2015.

[4]刘和平.陈红岩，苗轶如，李金龙，彭东林.混合式LLC电路谐振与同步整流数字式控制[J].中国电机工程学报，2015，（09）：2272-2278.