一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器

摘 要：

针对车载DC-DC变换器输入电压变化范围大的问题，提出一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器。该变换器包括飞跨电容（FC）型三电平Buck电路和LLC谐振电路两部分，FC三电平Buck电路输出端口与LLC谐振电路输入端口串联，通过控制FC三电平Buck电路占空比实现输出电压调节以适应宽输入电压范围，同时三电平结构降低了开关管电压应力、减小了损耗；LLC谐振电路传输负载所需全部功率，采用定频开环控制以获得高效率和稳定增益，同时实现了电气隔离。详细分析了组合式变换器的拓扑结构、直流增益以及工作效率，并与相同电路构成的级联式变换器进行了效率特性对比，根据组合式变换器的拓扑结构和工作特性，提出一种解耦控制策略，实现输出电压稳定和飞跨电容电压平衡，最后搭建了一个200～400 V输入、12 V/20 A输出的实验电路进行验证，实验结果表明所提组合式变换器的正确性和可行性。

关键词：组合式变换器；飞跨电容型三电平Buck；LLC；宽输入电压范围；高效率；解耦控制

DOI：10.15938/j.emc.2024.03.002

中图分类号：TM46

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2024）03-0013-11

收稿日期： 2023-09-19

基金项目：

作者简介：李劲晖（2000—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动；

贲洪奇（1965—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子系统数字控制技术；

朱俊函（1999—），男，硕士，研究方向为电力电子与电力传动；

宁继超（1995—），男，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

通信作者：李劲晖

Combined wide input and high efficiency DC-DC converter

LI Jinhui1， BEN Hongqi1， ZHU Junhan2， NING Jichao1

（1.School of Electrical Engineering and Automation， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China;2.Huawei Technologies Co.， Ltd.， Dongguan 523000， China）

Abstract：

Aiming at the problem that the input voltage of the vehicle-mounted DC-DC converter varies widely， a combined wide-input high-efficiency DC-DC converter was proposed. The converter consists of two parts： a flying capacitor （FC） type three-level Buck circuit and an LLC resonant circuit. The output port of the FC three-level Buck circuit is connected in series with the input port of the LLC resonant circuit. By controlling the duty cycle of the FC three-level Buck circuit， the output voltage was adjusted to adapt to a wide input voltage range. At the same time， the three-level structure reduces the voltage stress of the power switches and reduces the loss; the LLC resonant circuit transmits all the power required by the load. Using fixed-frequency and open-loop control， high efficiency and stable gain were achieved while achieving electrical isolation. The topology， DC gain and working efficiency of the combined converter were analyzed in detail， and the efficiency characteristics were compared with the cascaded converter composed of the same circuit. According to the topology and working characteristics of the combined converter， a decoupling control strategy was proposed to achieve output voltage stability and flying capacitor voltage balance. Finally， an experimental circuit with 200-400 V input and 12 V/20 A output was built for verification. The experimental results show correctness and feasibility of the proposed combined converter.

Keywords：combined converter; flying capacitor type three-level Buck; LLC; wide input voltage range; high efficiency; decoupling control

0 引 言

随着化石能源逐渐枯竭所引发的环境污染问题日益严重，清洁能源在未来社会经济发展中的地位越发重要，电动汽车（electric vehicles，EV）作为减少化石能源消耗和二氧化碳排放的重要手段之一［1］，近年来，因其经济、无污染的特点得到迅速发展［2-3］。然而，由锂离子电池组成的车载动力电池组输出电压波动范围较宽［4］，要求车载DC-DC变换器能够适应较宽的输入电压范围。

LLC谐振变换器能够在全电压范围和全负载范围内实现原边开关管零电压开通（zero voltage switching，ZVS）和副边整流管零电流关断（zero current switching，ZCS），从而减小损耗，提高效率［5-6］。但LLC谐振变换器通常采用变频控制，当增益变化范围较宽时，其开关频率变换范围也较宽［7］，不利于磁性元器件的设计。为使LLC谐振变换器能够适应宽输入电压要求，部分学者在传统LLC谐振变换器的基础上做出改进［8-12］。文献［8］提出一种新型的半桥LLC谐振变换器，用耦合变压器代替带有中心抽头的变压器，通过继电器改变耦合变压器的匝数比，从而减小频率调节范围，但耦合变压器的使用提高了变换器的结构复杂度，同时继电器的使用降低了变换器的可靠性。文献［9］提出一种定频控制三电平LLC谐振变换器，变换器工作在固定频率以获得高效率，通过控制变压器原副边开关管驱动信号移相角调节变换器直流增益，副边采用多绕组方式增加变换器的增益范围，但多绕组方式增加了变压器的体积和优化设计难度。文献［10］提出一种采用新型整流结构的全桥LLC谐振变换器，其整流网络能够工作在三倍压、四倍压和五倍压整流3种工作模式下，减小了变换器的频率调节范围并提供更高的电压增益，但变换器结构复杂度提高，且副边整流网络工作模式切换时存在较大的谐振电流尖峰。文献［11-12］虽然获得了宽电压增益和高效率，但输入电压范围受到限制。

两级式DC-DC变换器因其具有高效率、隔离和宽输入电压范围的特点，在车载DC-DC变换器领域得到了广泛应用［13-14］。文献［15-16］采用Boost电路与LLC谐振电路级联的变换器结构，LLC谐振电路采用定频开环控制，直流增益恒定，通过调节Boost电路占空比实现输出电压调节以适应宽输入电压范围，但在高输入电压场合，其中间母线电压和后级LLC谐振电路开关管较难选取。文献［17-18］采用Buck电路与LLC谐振电路级联的变换器结构，工作原理与上述级联式变换器相似，能够克服上述开关管难以选取的缺点，但这种结构的级联式变换器中间母线电压总是低于输入电压，不利于变换器效率的优化设计。文献［19-21］采用四开关Buck-Boost电路级联LLC谐振电路的变换器结构，能够克服上述母线电压和开关管难以选取的问题且有利于变换器效率的优化设计，但与上述2种结构的级联式变换器存在相同不足，其前级非隔离DC-DC电路需处理全部负载功率，损耗较高。采用级联式变换器，虽然适应了宽输入电压范围，但变换器前级非隔离DC-DC电路制约着效率的进一步提升。

针对上述问题，本文提出一种由飞跨电容（flying capacitor，FC）型三电平Buck电路和LLC谐振电路构成的组合式DC-DC变换器，FC三电平Buck电路输出端口与LLC谐振电路输入端口串联，通过FC三电平Buck电路实现输出电压调节，使变换器适应宽输入电压范围，与普通两电平Buck电路相比，电感电流纹波和开关管电压应力降低［22］；LLC谐振电路工作在高效率的定频开环状态，其工作模式相当于直流变压器（direct current transformer， DCT），向负载传输功率并实现电气隔离。由于变换器的负载功率全部由LLC谐振电路提供，FC三电平Buck电路仅处理部分功率实现电压调节，减少了非隔离电路损耗。所提出的组合式变换器具有控制简单、适应宽输入电压范围且具有较高效率的优点，可用于设计车载锂离子动力电池组后级的DC-DC变换器。

1 拓扑结构与工作原理

1.1 拓扑结构

由FC三电平Buck电路和LLC谐振电路构成的组合式DC-DC变换器如图1所示，变换器输入电压为Vin，输出电压为Vo。其中：Q1、Q2、Q3、Q4、Cf、L等组成FC三电平Buck电路，其输出端口电压为Vo_buck；Q5、Q6、Lr、Cr、Lm、T1、SR1、SR2等组成LLC谐振电路，副边采用同步整流（synchronous rectification，SR）技术，变压器变比为n，其输入端口与FC三电平Buck电路的输出端口串联，其输入端口电压Vin_LLC=2nVo=Vin-Vo_buck。

1.2 工作原理及模式分析

组合式变换器中，开关管Q1、Q2与Q4、Q3以占空比D1互补导通，Q2、Q4与Q1、Q3驱动信号相位相差180°，采用PWM调制方式，通过控制FC三电平Buck电路输出端口电压Vo_buck使LLC谐振电路输入端口电压Vin_LLC恒定，从而使变换器在不同输入电压下维持输出电压不变；开关管Q5与Q6以固定占空比D2（D2=0.5）互补导通，为LLC谐振槽提供输入电压utank，向负载传输功率的同时起到电气隔离的作用。

LLC谐振电路始终开环工作在谐振频率处，电压增益恒定，其工作模式相当于一个直流变压器，稳态时的工作波形与独立工作的LLC谐振电路相同，原边开关管实现了ZVS，副边整流管实现了ZCS，同时副边SR技术的应用，使LLC谐振电路效率最优。

组合式变换器通过FC三电平Buck电路实现输出电压的调节，根据占空比D1的大小，FC三电平Buck电路具有2种不同的工作模式，稳态时的主要工作波形如图2所示。当组合式变换器输入电压Vinlt;4nVo时，FC三电平Buck电路占空比0lt;D1lt; 0.5，工作在模式1，此时FC三电平Buck电路A、B两点间电压VAB在0和Vin/2之间交替运行；当组合式变换器输入电压Vingt;4nVo时，FC三电平Buck电路占空比0.5lt;D1lt;1，工作在模式2，此时FC三电平Buck电路A、B两点间电压VAB在Vin和Vin/2之间交替运行。

随着组合式变换器输入电压的升高，FC三电平Buck电路由工作模式1转变为工作模式2，但电感电流iL始终为负，FC三电平Buck电路电流由输出端口流向输入电源，处理部分功率实现电压调节但不向负载供电，负载所需功率全部由LLC谐振电路提供。

与相同电路构成的级联式变换器相比，LLC谐振电路同样处理全部负载功率，但与级联式变换器非隔离电路处理全部负载功率不同，组合式变换器中FC三电平Buck电路仅处理部分功率实现电压调节，变换器非隔离部分损耗减少，效率提高。

2 组合式变换器特性分析

2.1 增益特性分析

对于提出的组合式变换器，FC三电平Buck电路输入端口电压为变换器输入电压Vin、输出端口电压为Vo_buck；LLC谐振电路输入端口电压为Vin_LLC、输出端口电压为变换器输出电压Vo。FC三电平Buck电路与LLC谐振电路无任何共用元件，两者的增益互不影响，因此，设FC三电平Buck电路的直流增益为MBuck，LLC谐振电路的增益为MLLC，组合式变换器的增益为MC。

3 组合式变换器解耦控制策略

针对由FC三电平Buck电路和LLC谐振电路构成的组合式变换器，提出一种解耦控制策略，控制框图如图8所示。组合式变换器的闭环控制包含输出电压调节和FC三电平Buck电路飞跨电容电压平衡两部分，补偿环节均为PI补偿器。

组合式变换器通过控制FC三电平Buck电路占空比调节其输出端口电压Vo_buck，使开环工作在谐振频率处的LLC谐振电路输入端口电压Vin_LLC保持恒定，从而使变换器输出电压Vo恒定。当输出电压升高时，FC三电平Buck电路应提高输出端口电压，若直接使用补偿器输出作为PWM调制部分的输入信号，当输出电压升高偏差信号变大，补偿器输出减小，FC三电平Buck电路输出端口电压下降，输出电压进一步升高，系统无法稳定。因此，在补偿器之后加入前馈环节，当输出电压升高偏差信号变大时，PWM调制部分输入信号增大，FC三电平Buck电路输出电压上升，变换器输出电压降低，实现系统稳定。

用于实现电压调节的FC三电平Buck电路在各参数之间相互匹配时，通过交错控制，其飞跨电容电压具有自平衡特性，但在实际电路中，自平衡特性受到负载阻抗、电流纹波等的影响，飞跨电容电压存在偏移。

为使FC三电平Buck电路正常工作实现输出电压调节，对输出电压Vo与飞跨电容电压VC进行解耦控制。将输出电压与给定信号的偏差经过补偿器GVo（s）和前馈控制环节后得到占空比D1，将飞跨电容电压与输入电压一半的偏差经补偿器GVC（s）后得到占空比微调量ΔD，对占空比D1加减ΔD后进行PWM调制得到开关管Q1、Q2的驱动信号，Q1、Q2的驱动信号之间的相位相差180°。

通过控制FC三电平Buck电路占空比D1，实现输出电压调节；通过控制开关管Q1、Q2驱动信号占空比之差，主动调节飞跨电容电压，实现电压平衡。对占空比D1施加的微调量ΔD远小于其本身，既不影响变换器输出电压的稳定，又不影响交错控制时的同步整流特性。

4 实验验证

为验证理论分析的正确性和所提组合式变换器的可行性，搭建了一个200～400 V输入、12 V/20 A输出的实验电路，变换器具体参数如表1所示，变换器主要器件型号如表2所示。在组合式变换器的解耦控制中，输出电压控制环路补偿器参数KPVo=0.2、KIVo=0.1，飞跨电容电压平衡控制环路补偿器参数KPVc=0.000 3、KIVc=1.0。由于实验过程需改变FC三电平Buck电路与LLC谐振电路的连接方式来分别构成组合式变换器与级联式变换器，故实验电路采用多模块组合结构，变换器实验电路构成示意图如图9所示。

图10为输入电压Vin=200 V时组合式变换器的启动波形和稳态实验波形，此时FC三电平Buck电路D1=0.04，Vo_buck=8 V，开关管电压应力为100 V、电流应力约为0.3 A；图11所示为输入电压Vin=300 V时组合式变换器的启动波形和稳态实验波形，此时D1=0.36，Vo_buck=108 V，开关管电压应力为150 V、电流应力约为0.7 A；图12所示为输入电压Vin=400 V时组合式变换器的启动波形和稳态实验波形，此时D1=0.52，Vo_buck=208 V，开关管电压应力为200 V、电流应力约为1 A。

由图10～图12可知，变换器实验波形与理论分析一致，提出的解耦控制策略对变换器实现有效控制，在不同的输入电压下，启动过程中，FC三电平Buck电路飞跨电容电压逐渐稳定在输入电压的一半，同时变换器输出电压稳定；随着输入电压的升高，FC三电平Buck电路占空比D1上升，开关管电压电流应力上升。

LLC谐振电路稳态实验波形如图13所示，可以看出，谐振波形与独立工作的LLC谐振电路相同，开关管电压应力即为LLC谐振电路输入端口电压Vin_LLC=192 V、电流应力约为4 A，与理论分析一致；LLC谐振电路副边整流管驱动信号由同步整流驱动芯片UCC24624生成，驱动电压在整流管漏极与源极之间电压超过-35 mV时由10 V降至SR阈值电压，能够防止同步整流管过早关断造成体二极管导通，损耗增加，同时能够缩短关断延迟时间。

组合式变换器动态响应实验波形如图14所示，当变换器输入电压突变时，输出电压可迅速调节至稳定，同时飞跨电容电压调节至输入电压的一半；当变换器负载突变时，变换器经过短暂调节，输出电压能够始终稳定在12 V，飞跨电容电压基本保持不变，验证了所提解耦控制策略的有效性。

图15为组合式变换器在不同输入电压下随输出功率变化的效率曲线，可以看出，变换器效率随着输出功率的上升而上升；变换器在输入电压较低时的效率特性要优于输入电压较高时，与理论分析一致。

改变电路连接方式，将组合式结构修改为级联式结构重测输入电压Vin=200 V时变换器不同输出功率时的效率并与组合式变换器对比，如图16所示，可以看出，相较于级联式变换器，组合式变换器的效率特性有所提升，且随着输出功率的上升，效率优势越发明显。

5 结 论

本文提出了一种具有宽输入电压范围与高效率特性的组合式变换器，解决了LLC谐振变换器增益范围窄和级联式变换器效率受限的问题。此外，提出的变换器还具有以下优点：

1）LLC谐振电路开环工作在谐振频率处，效率最优，增益恒定，传输负载所需全部功率，同时实现原边开关管ZVS和副边整流管ZCS。

2）Buck电路采用飞跨电容三电平结构，与普通两电平Buck电路相比，开关管电压应力降低；输出端口空载，仅处理部分功率实现电压调节，变换器非隔离电路损耗减少。

3）调整FC三电平Buck电路占空比即可实现对输出电压的控制，控制策略简单、实现容易。

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（编辑：刘琳琳）