LLC谐振变换器空载问题分析及优化.pdf

2023年第 3 期 声学与电子工程 总第 151 期 2023年第 3 期 声学与电子工程 总第 151 期 39 LLC 谐振变换器空载问题分析及优化 陈永强1 祝新2(1.海装上海局，上海，201206；2.中国船舶集团第八研究院，扬州，225000)摘要摘要 LLC 谐振变换器在高功率脉冲负载应用场合，电源存在空载电压增益失真以及间歇工作模式电压动态特性变差的问题，为此文章提出了优化的控制电路和控制方案，使 LLC 工作在连续模式，极大地提高电源的动态响应和空载纹波等特性。为了验证所提出的方法，在 10 kW 样机上进行了实验。实验结果表明，所提的优化和控制策略是有效和可行的。关键词关键词 LLC 谐振；空载增益失真；动态响应；分布电容 DOI：10.3969/j.issn.2096-2657.2023.03.10 大功率直流供电系统通常为两级式结构，前级功率因数校正（PFC）加后级直流转直流（DC/DC），其中后级 DC/DC 变换器与负载直接相连，是直流供电系统的核心组成部分，对供电系统性能、安全和可靠性都有重大影响。LLC 谐振变换器因具有软开关、高效率、高功率密度、EMI 干扰小等优势，广泛应用于雷达、声呐发射供电的后级 DC/DC 拓扑，在直流供电系统领域极具研究与应用价值。但目前直流供电系统 LLC 串联谐振变换器工程应用中仍面临诸多难题与挑战1,2。一个常见的问题是LLC 变换器轻载和空载工况下，为使电压维持稳定，需要提高频率，但由于开关器件的物理特性，同时分布电容存在，会导致轻载电压失真。文献3提出了利用间歇控制模式来稳定输出电压，但同时也带来了纹波增大和动态响应变差的问题。本文提出了优化控制电路和控制方法，使 LLC 轻载工作在连续模式，极大地提高了电源的动态响应，改善了输出电压空载纹波等特性。1 LLC 串联谐振变换器拓扑 1.1 LLC 串联谐振变换器 1.1 LLC 串联谐振变换器 半桥 LLC 串联谐振电路拓扑结构如图 1 所示。MOS 管 S1和 S2串联组成半桥，电容 Cr和电感 Ls、与变压器 T1的原边电感 Lp构成了一个LLC 谐振电路。变压器 T1的副边，经过二极管 V1V4，整流后为负载供电。设开关管的开关频率为 f，Ls和 Cr的谐振频率为 fR1，Ls、Lp和 Cr三者的谐振频率为 fR2，则谐振频率和电容电感的关系为 R1sr12fL C （1）R2spr12()fLL C （2）图 1 LLC 串联谐振拓扑 由式（1）、（2）可知，fR1fR2，根据开关频率 f与谐振频率 fR1、fR2的关系，LLC 有以下 3 种工况。（1）当 f fR1时，LLC 工作在 Ls和 Cr谐振状态，此时电源为 LC 谐振，初级侧开关 MOS 管处于软开关状态，次级侧整流二极管工作在连续导通模式；（2）当 fR1f fR2时，LLC 工作在 Ls、Lp、Cr谐振状态，此时为 LLC 谐振，初级侧 MOS 管工作在 ZVS 状态，次级侧整流二极管工作在不连续导通模式，初级侧和次级侧均为软开关状态；（3）当 fR2f 时，初级侧 MOS 管工作在容性区域（即电路的容抗大于感抗，电压滞后电流），此时 MOS 管为硬开关，MOS 管开关损耗很大。由此可见，设计选择谐振频率和工作范围，应当使负载较大时工作于工况 2，进入轻载时工作在工况 1，避免工作在工况 3。在该电路拓扑中，要保持输出电压稳定，可以通过改变开关频率来调整电感/电容（LC）谐振网络的阻抗，输入电压在谐振网络与负载之间进行分压，使得最终负载电压不变。在轻载条件下，负载网络阻抗很大，这使得很难调节输出电压。理论上在空载情况下，谐振频率陈永强 等：LLC谐振变换器空载问题分析及优化 40 应该为无穷大。1.2 LLC 变换器增益和空载分析 1.2 LLC 变换器增益和空载分析 然而，在实际空载的情况下，变压器次级及整流电路的结电容的组合效应可能会导致功率频率关系发生反转，下面用 FHA（Functional Hazard Analysis）法进行分析。LsCrLpV1V2V3V4C2Cj1Cj2Cj2Cj3ReLsCrLpV1V2V3V4ReCp 图 2 LLC 简化 FHA 等效电路 所有次级电容可以通过匝比 a 反映到初级，设Cj1=Cj2=Cj3=Cj4=Cj，则等效电容与次级电容关系为 P2j21()CCC （3）设pr/CC，则电压增益为 221(,)1111(1)(1)()Mx kQxjQ xkxx（4）取绝对值后为 222221(,)1111(1)(1)()Mx kQxQxkxx（5）式中，x 为开关频率，k 为 Lp与 Ls比值，R1AC2sf LQR，RAC为等效至初级的负载。式中，k 值越小，获得相同增益的频率变化范围越窄；k 值越大，开关管在fR1附近的导通损耗越大。综合考虑，k 值一般取2.56 之间数值，我们取 k=5。实际电路中，Cp较小，根据经验取=0.02，绘制不同负载情况下（即Q 值不同），开关频率与电压增益关系见图 3。图 3 中，x 轴方向为频率，x=1 时频率为 fR1，y轴方向为电压增益(,)Mx kQ。由图可知，Q 取值较大时，在谐振频率点处，LLC 的增益接近 1，离谐振点越远，输出电压增益越小。因此我们可以控制半桥上 MOS 管，使 LLC 电路工作在谐振点，电路输出最大电压。改变 MOS 管工作频率，使 LLC电路工作频率远离谐振点，可让 LLC 输出的电压降低。故在不同负载情况下，控制时可以通过调节频率的方式使电压保持稳定。空载时，初级等效电阻 RAC为无穷大，即 Q=0时增益曲线所示。(,)Mx kQ增益达到最小值后，继续提高频率，增益即开始上升反转，导致电压失控，进而可能导致电源或用电设备损坏。图 3 电压增益图 2 优化控制策略 2.1 LLC 设计优化 2.1 LLC 设计优化 为了避免增益反转现象，我们首先可以考虑减小电容 比值，尽可能多地减小 C2和 Cj（提高变压器的自谐振频率），并将转换器的最大工作频率限制在远低于增益失真频率。电感比 k 值对于增益也有影响，k 值越高增益越大，但 值相同的情况下，在空载时电压增益上升较低。其次，在高输出电压的情况下，C2随着次级匝数增加而增大，反馈反转的问题更为关键。设计中采用全桥整流，Cp值是半桥整流的一半，这使得采用全桥整流器的转换器不容易发生反馈反转。同时，由于在相同的输入和输出电压以及相同的设计标准下，全桥中的匝数比是半桥的两倍，C2+Cj的值相等，因此全桥比半桥更不容易发生反馈反转。再次，我们设置最大工作频率，在达到最大频率后，采用间歇工作模式。间歇控制模式可以有效控制电压增益，但进入间歇模式后，缺点也较为明显，在空载到满载时，电源无法瞬时响应电压跌落，即造成电源动态响应变差。2.2 控制策略优化 2.2 控制策略优化 针对间歇模式动态变差的问题，我们对电源控x y Q=0 Q=0.2 Q=0.4 Q=0.3 fR1陈永强 等：LLC谐振变换器空载问题分析及优化 41 制策略做出如下优化：（1）优化电路和控制策略，使其启动后，辅助电源和风扇切换至由输出电压提供，使电源更容易处于连续工作模式。（2）加入 PFC 直流母线输出电压（即后级输入电压）智能调节，在空载时适当降低母线电压使其更容易工作在连续模式。3 实验验证 为验证所提优化和控制电路的有效性，我们搭建了基于 TMS320F28035 DSP 为核心的控制器平台，以及采用 C2M0040120 MOSFET 为主开关器件的实验样机，如图 4 所示。图 4 10 kW LLC 试验样机图片 实验中使用满载 20 kW 脉冲负载测试电源动态响应，负载电流为 50 A，使用 2 台 12 kW 样机并联供电。实验波形如图 5 所示。图中通道 1 为电源输出端电压波形，通道 2 为电流波形。当通道 2 电流从 0 增加至 50 A 时，通道 1 电压发生瞬间掉落，随即恢复 400 V 输出电压，电压掉落值记为 V。图 5（a）为优化前测得波形，负载变化时，电压掉落较大，由图中可知 V 为 80 V。图 5（b）为优化后电压动态波形，电压掉落 V 有效地控制在 10 V。同时我们在半载等情况下也进行了测试，试验结果与满载类似，验证了所提控制方法的有效性。我们对优化前后的空载纹波进行测试，优化前纹波为 900 mV，见图 5（c），优化后纹波在 400 mV以内，见图 5（d）。通过对比可知，空载纹波也得到极大优化。（a）优化前电压动态波形 （b）优化后的电压动态波形 （c）优化前的电压纹波 （d）优化后的电压纹波 图 5 实验波形（下转第 44 页）任建：拖曳线列阵供电故障分析排查及维护 44 故障。下面通过一个案例来说明。案例案例 显控台显示前放负电流故障，其它自检画面显示正常。分析思路：首先观察前放负电源板上的工作指示灯并测量其输出电压，工作指示灯亮且输出电压正常，可以排除前放负电源板的故障可能。接着更换电源检测板备件，显控台依旧报前放负电流故障，可以排除电源检测板故障误报的可能。因此需要重点排查拖缆与拖线阵的问题，拧下供电机柜顶部给阵段供电的电缆连接器，测量供电芯线间是否存在短路的情况（这个地方不是断路，如果出现断路，拖线阵声通道肯定会出现异常情况），结果是无短路，因此维修人员怀疑大概率是阵段内部出问题，通过从拖线阵末段往前测量电压的方法，定位到某段声学段其输出电压出现异常（比较正电压与负电压，正常情况应大致相同），而前面一段声学段输出电压正常，最终确定此声学段故障。更换新的声学段后，设备恢复正常。3 拖线阵的日常维护与保养 基于拖线阵的封闭结构，日常维护保养主要关注以下几个方面：（1）阵段间连接处的检查，若出现连接处螺钉松动、螺钉断裂或者螺钉缺失等情况，做到及时发现及时处理；（2）阵段护套的检查，复杂的海洋环境可能会引起护套划伤甚至划破等情况，导致海水渗入，引起阵内模块损坏，线路短路等；（3）保证阵内液压的充盈，拖线阵在长期拖曳作业过程中，护套会一定限度的拉伸，导致护套变瘪，对拖线阵的姿态会产生一定的影响；（4）在阵段拆接过程中，必须确保密封件及螺钉的完好性；（5）阵段内电子器件较多，在卷筒存放时，不易散热，在日常检查过程中，确保加电时间不要过长，防止器件温度过高而损坏。参考文献参考文献:1 LEMON S G.Towed-array history,1917-2003J.IEEE Journal of Oceanic Engineering,2004,29(2):365-373.2綦俊峰.应用于拖线阵的采集传输模块设计J.电子世界,2019(11):182-183.3陈木.关于拖线阵维修及常见问题分析J.电子世界,2020(16):13-14.4刘斌.拖曳线列阵故障分析测试系统技术研究J.声学与电子工程，2019(4):13-16.（上接第 41 页）4 结论 本文在理论分析和文献3间歇控制基础上，提出了优化寄生电容和优化控制策略的方法，通过样机试验验证，所提方法有效改善了电压动态和空载纹波，极大提升了电能质量，为后级负载特别是脉冲负载工作提供了更稳定的输入。通过理论分析，我们发现寄生电容对 LLC 谐振变换器空载和轻载影响较大，下一步可以对变压器和谐振电感等磁性元器件的绕制工艺方法进行研究，改善优化寄生参数。参考文献：参考文献：1 YANG B,LEE F C,ZHANG A J,et al.LLC resonant converter for front end DC/DC conversionC.APEC,2002:1108-1112.2 梁旭.LLC 谐振变换器的轻载性能优化研究D.成都:电子科技大学,2014.DOI:10.7666/d.D499782.3 俞珊,董纪清,陈海堤.LLC 谐振变换器轻载下电压增益失真的研究J.电源学报,2014,5(53):75-79.