输入电压波动下变模态宽增益谐振变换器研究

摘 要：针对传统LLC谐振变换器在宽输入下开关损耗过大、增益范围较窄、难以保持输出稳定的问题，研究一种变模态宽增益谐振变换器。该变换器及其控制策略能够依据输入电压的大小，在全桥和半桥两种模态之间自由切换，有效拓宽电压增益范围。通过对变换器谐振腔结构的优化，进一步拓宽增益，减小能量循环、降低开关管损耗，同时能够在电流传输中引入三次谐波，降低损耗。利用基波近似法对电压增益进行推导，绘制增益曲线图，分析谐振参数对电压增益的影响，根据需求设计合适的参数，并运用变频控制，通过调节输入电压，使得变换器运行在不同模态，实现电压平稳输出。搭建一台55～220 V输入、30 V输出的300 W实验样机，实验结果证明了所提变换器控制策略的有效性。

关键词：模态切换；三次谐波；宽增益；宽输入；基波近似法；开关损耗

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中图分类号：TM46文献标志码：A

Research on wide gain resonant converter with mode switching under input voltage variation

FENG Xingtian， LI Ziyan， ZHOU Guangrui， WANG Yubin

（College of New Energy， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract：In order to solve the problems that LLC resonant converter has too large breaking loss， narrow gain range and unstable output under wide input， a wide gain resonant converter with changing mode was researched. The converter and its control strategy can freely switch between full bridge and half bridge according to the input voltage， effectively expanding the voltage gain range. Moreover， the gain range can be further widened by optimizing the resonator structure to reduce the energy cycle and switch loss. The structure introduced the third harmonic in the current transmission to reduce the loss. In this paper， the fundamental harmonic approximation method was used to deduce the voltage gain， draw the gain curve， analyze the influence of resonance parameters on the voltage gain. The appropriate parameters were designed according to the demand. Variable frequency control was used to make the converter operate in different modes by regulating the input voltage to achieve stable voltage output. A 300 W experimental prototype was built with 55-220 V input and 30 V output. The experimental results show the effectiveness of the converter topology and the proposed control strategy.

Keywords：mode switching; third harmonic; wide gain; wide input; fundamental harmonic approximation; switch loss

0 引 言

LLC谐振变换器作为一种先进DC/DC变换器[1-2]，具备较好的软开关特性，能够有效降低开关损耗、大幅提升效率，被广泛应用在电动汽车充电桩、航天器、固井电源以及新能源发电与储能等领域[3-4]。随着“双碳”目标的提出和国家节能降耗战略的推进，清洁能源的大力发展刻不容缓。作为清洁能源发电的主流，风电和太阳能发电受自然条件影响而造成输出功率波动较大，给后续应用带来不便。LLC谐振变换器应用在这些场合的时候，需要适应输入电压的波动，并能始终保持输出电压稳定，这也是传统LLC谐振变换器的实施难点。

为解决上述问题，许多学者对输入电压波动下的LLC谐振变换器的拓扑结构演化和先进控制策略[5-14]进行了相关研究。文献[8]将辅助开关引入LLC谐振变换器，运用定频控制，通过控制辅助开关的通断来改变变压器绕组参数，进而实现宽输入。文献[9]为避免磁化电感过小导致变换器体积过大，设计有辅助开关的两模式谐振变换器。但是上述2种结构由于辅助开关工作在硬开关状态，增加了变换器损耗，同时也增大了生产成本。文献[10]提出一种宽输入的三电平LLC谐振变换器，当输入电压较高时工作在三电平模式，能够有效降低功率器件的电压应力，从而缩小了开关频率的调节范围；但在输入电压较低时需要较大增益保证输出电压稳定。文献[11]提出一种定频LLC谐振变换器，通过Boost电路提升输入电压增益，进而一定程度上拓宽输入电压范围，但是由于电感存在均流问题，且需要对两部分分别进行控制，使得控制过于复杂。文献[12]提出一种改进LLC谐振变换器，通过Buck-Boost模式的切换和定频控制，能够实现宽范围输入，但是由于其在2种模式中，均有一个模态不能将能量传递到副边的状态，导致效率明显降低。文献[13]分析了一种四元件CLCL直流变换器，其呈现多种谐振特性，拓宽电压增益，实现了零电压开关（zero voltage switch，ZVS）和零电流开关（zero current switch，ZCS），有效提升了变换器工作效率。但其电路结构形式灵活性差，限制了电压增益范围。文献[14]中，谐振变换器采用了同步整流技术，使用频率调制进行控制，且同步整流开关使用同相开关信号与一次侧开关进行控制，使得输入电压范围增大，且因为转换器在整个输入电压范围内对称工作，所以没有变压器直流偏移电流，损耗极低。但是，同步整流器不仅大大增加了成本，还带来了较大的电流应力。

综上分析，各类研究通过不同拓扑结构和控制方法，来实现电压增益、输入电压范围的增大，但也相应带来损耗过大、成本提高等问题。基于此，本文在传统LLC谐振变换器拓扑结构的基础上，增加电容（C）和电感（L）两种元件，研究这种CL-LLC型谐振变换器的结构原理以及全桥/半桥变模态控制策略。变模态控制策略能够自由切换全桥/半桥结构，有效拓宽电压增益范围；以输入电压的大小作为模态切换的条件进行控制，能够有效扩大输入电压的范围；进一步优化设计谐振单元的结构，不断提升输入电压波动下变模态宽增益谐振变换器的性能优势，使其能够充分适用于电压波动范围较大的工况。

1 CL-LLC谐振变换器建模

图1给出了全桥CL-LLC谐振变换器的拓扑结构，在典型全桥LLC谐振变换器结构的基础上，改变了谐振腔单元的结构。该变换器采用全控型开关器件Q1～Q4为核心搭建逆变单元，开关器件Q1～Q4的寄生二极管和寄生电容分别由二极管DQ1～DQ4和电容CQ1～CQ4模拟。谐振腔单元由谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电Lm、附加电容Cx和附加电感Lx构成。三绕组变压器的变比为n∶1∶1，副边两绕组严格对称。整流单元是一个单相全波整流器，主要由电力二极管D1、D2组成。输出电容Co发挥滤波稳压作用，RC为其等效内阻。RL代表负载电阻。

1.1 CL-LLC变换器数学模型

针对CL-LLC谐振变换器的全桥拓扑结构，采用基波近似法（first harmonic approximation，FHA）进行数学建模分析。

CL-LLC谐振变换器工作时，应该兼顾全桥和半桥模态下的增益要求。合适d值的选择依据为：仅在全桥模态Qmax情况下检验最大增益，或仅在半桥模态（1/2）Qmax情况下检验半最大增益，此处以全桥模态为例进行验证，如图9所示。由于全桥模态达到最低增益的要求比半桥模态更复杂，所以最低增益仅需全桥模态Qmin情况下满足即可，如图10所示。最后根据图11的仿真验证结果可取d=0.45、Q=1.3。

图12、图13分别分析了m、y 2个参数对增益的影响规律，从图中可以看出，增益曲线在（1，1） 处交汇，只是谐振零点f0的位置发生变化，说明CL-LLC谐振变换器引入三次谐波后，仍保持传统LLC谐振变换器的增益特性。另一方面，f0距离fr1、fr2太近，会导致增益曲线斜率变陡，输出稳定性变差；f0距离fr1、fr2太远，增益曲线斜率则变化平缓，又不能充分发挥电压调节特性。所以，只有合理选择f0和fr1、fr2的距离，才能通过高效利用三次谐波来提升效率。根据上述分析，此处选取f0=2fr1，fr2=3fr1。本文CL-LLC谐振变换器具体电路参数见表1。

3 切换策略与仿真分析

3.1 全桥/半桥变模态切换点

基于输入电压的变化范围，合理选取变模态CL-LLC变换器的运行切换点，以最大化利用谐振网络。CL-LLC变换器运行在全桥/半桥2种模态，首先由于全桥模态下谐振网络输入电压Vab为幅值等于正负输入电压的方波电压，因此切换点电压不高于变换器最小输入电压的两倍；其次，半桥模态下谐振网络输入电压为半电压，因此切换点电压不低于变换器最大电压的二分之一。综上所述，选择切换点时要对2种模态进行权衡进而取最优值。本文选取110 V为全桥/半桥模态的电压切换点，全桥模态对应55～110 V的输入电压；半桥模态对应110～220 V的输入电压。

3.2 增益分析

根据所求参数绘制此时的增益曲线，如图14、图15所示。

对比2条增益曲线，可以看出在谐振频率点附近没有明显差异，但是CL-LLC谐振变换器增益峰值点增大且右移，其频率更加接近谐振频率。频率大于100 kHz时，调节较窄的频率，增益就会有较大的波动，增益调节更加灵活，这说明所提出的变换器实现了宽增益调节。在其他条件相同的情况下，半桥增益为全桥增益的一半，不仅实现了宽输入，也进一步拓宽了增益范围。

3.3 软开关与效率分析

图16～图19分别给出了改进谐振变换器分别工作在全桥、半桥模态时，轻载和重载工况下的ZVS与ZCS仿真分析。从图中可以看出，CL-LLC谐振变换器能够实现宽输入条件下的软开关运行。

图20给出了相同条件下，输入电压变化时，传统LLC谐振变换器和CL-LLC谐振变换器的效率曲线。对比分析可知，在较低输入和高输入时，2种结构的效率曲线变化趋势相似；中间段引入三次谐波之后，有效降低了电流损耗使得传输功率提升，但是涉及到两模态切换，稍微影响变换器运行的稳定性，因此出现先上升后下降的趋势，改进后的全桥/半桥模态谐振变换器效率明显高于传统LLC谐振变换器。其中，改进后的变换器效率最高可达97.2%，说明该变换器既能有效拓宽输入电压范围，又能发挥高效率的优势。

3.4 输出结果分析

为使CL-LLC谐振变换器在输入范围较宽的情况下能够达到输出稳定电压的效果，变换器采用变频控制，根据输入电压大小运行在不同模式。当输入电压为55～110 V时，变换器工作于全桥模态，如图21（a）和图22（a）所示；当输入电压为110～220 V时，变换器工作在半桥模态，如图21（b）和图22（b）所示。变模态运行时，轻载/重载下变换器波动都非常小，能够平滑切换，有效降低切换损耗，如图23和图24所示。

4 实验验证

以TMS320F28335系列DSP（digital signal processor）为控制核心，采用SiC MOSFET功率器件[19-20］搭建实验样机，验证所提全桥/半桥变模态宽增益谐振变换器结构及控制策略的有效性，实验样机如图25所示。

由图26可知，输入电压波动时（80～200 V），输出电压能够保持稳定（30 V）。图27给出的MOSFET开关管的栅源电压和漏源电压波形说明，开关管实现了ZVS导通。图28展示的MOSFET 开关管的栅源电压和谐振电流波形表明，谐振电流在开关管关断时保持马鞍形，整流二极管实现了ZCS关断。图29和图30表明输入电压波动时，全桥/半桥模态能够自由切换，输出电压保持稳定。图31说明负载变化时，输出电压能够一直保持稳定，体现了良好的稳态性能。由图32和图33可知，当负载突变时，输出电流发生突变，有较小波动但能够迅速恢复，输出电压稳定且基本无波动，体现了良好的动态性能。

图34为变换器中各元器件损耗分布情况。其中变压器损耗为主要损耗，包括磁芯损耗和绕组损耗，变压器损耗与所选铁心材料密切相关，硬件电路搭建中选择了硅钢片，且采用叠装的方式，绕组损耗主要是高频工作时趋肤效应导致的。由于MOSFET采用软开关技术，整流二极管损耗在空载运行时可忽略，该部分损耗占比相对较小，带负载运行时随着频率升高损耗呈现增大趋势。图35给出了变换器的效率曲线，在不同输入电压下，效率有所不同，整体趋势与仿真一致。

针对CL-LLC谐振变换器改进结构和传统LLC变换器结构，绘制输入电压波动下的增益曲线，如图36所示。从图中可以看出，两类结构的最低增益近似，但是传统LLC变换器的增益值在全桥/半桥模态切换时出现断层，导致整体增益范围变小；而改进结构具有灵活调节增益特性，能有效避免断层。另一方面，改进结构的增益曲线整体斜率大于传统LLC结构，而且改进结构的最高增益显著增加，进一步增大了增益范围，充分说明了改进结构的宽增益优势。

5 结 论

本文引入全桥/半桥变模态宽增益谐振变换器，增设附加电容和附加电感改进了谐振腔结构，拓宽增益范围的同时，实现了高效稳定的输出。该CL-LLC谐振变换器及其控制策略，一方面使得增益范围从传统LLC变换器的0～1.7，拓宽至改进结构的0～2.45；另一方面，将峰值效率从传统LLC变换器的94.5%，增至改进结构的97.2%。仿真分析了不同负载、不同输入电压下改进结构对输出电压和增益的影响，得到了相应的影响规律，提供了设计依据。仿真和实验波形及数据说明所提改进结构及其控制策略具有宽输入、高增益的特性，具备良好的动稳态性能，从而验证了其正确性和有效性。

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（编辑：刘琳琳）

收稿日期： 2022-08-24

基金项目：国家自然科学基金（51977220）；山东省高等教育本科教学改革研究项目（CM2022053）；山东省研究生优质专业学位教学案例库（SDYAL2023028）

作者简介：冯兴田（1978—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子、电机控制技术；

李紫岩（1997—），女，硕士，研究方向为电力电子与电力传动；

周广睿（1998—），男，硕士，研究方向为电力电子与电机控制；

王玉彬（1974—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电机设计与控制技术。

通信作者：冯兴田