输入电压波动下宽增益谐振变换器优化设计_冯兴田.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 4 期 2023 年 4 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.4 Apr.2023 收稿日期:2022-09-28 基金项目:国家自然科学基金项目（51977220）；中国高等教育学会专项课题（21CXYB09）；山东省教学改革面上项目（M2021277）作者简介:冯兴田（1978），男，山东广饶，博士，副教授，主要研究方向为电力电子技术教学与实验，。引文格式:冯兴田，李紫岩，周广睿.输入电压波动下宽增益谐振变换器优化设计J.实验技术与管理,2023,40(4):150-155.Cite this article:FENG X T,LI Z Y,ZHOU G R.Optimal design of wide gain resonant converter under input voltage fluctuationJ.Experimental Technology and Management,2023,40(4):150-155.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.04.022 仪器设备研制 输入电压波动下宽增益谐振变换器优化设计 冯兴田，李紫岩，周广睿（中国石油大学（华东）新能源学院，山东 青岛 266580）摘 要：该文设计了一种全桥-半桥模态切换的宽增益谐振变换器：首先，通过优化谐振腔结构，在电流传输中引入三次谐波，减小能量循环及开关管损耗；然后，根据输入电压控制变换器在两种不同模态切换，拓宽增益范围，使得变换器具有更灵活的调压特性；最后，利用基波近似法推导电压增益并绘制增益曲线仿真图，分析谐振参数对电压增益的影响并设计合适的参数，运用变频控制优化输出波形，实现变换器在不同模态下的电压平稳输出。通过搭建实验样机展开实验分析，结果显示不同模态下变换器均能实现软开关，增益拓宽且输出效率明显提升。关键词：模态切换；三次谐波；宽增益；基波近似法 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)04-0150-06 Optimal design of wide gain resonant converter under input voltage fluctuation FENG Xingtian,LI Ziyan,ZHOU Guangrui(College of New Energy,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)Abstract:In this paper,a wide-gain resonant converter with full-bridge to half-bridge mode switching is designed.By optimizing the resonant cavity structure,the third harmonic is introduced into the current transmission to reduce the energy cycle and switch losses,and then the converter is controlled to switch in two different modes according to the input voltage to broaden the gain range,so that the converter has more flexible voltage regulation characteristics.The fundamental approximation method is used to derive the voltage gain,draw the gain curve simulation diagram,analyze the influence of resonance parameters on the voltage gain,and design appropriate parameters.The frequency conversion control is used to optimize the output waveform to achieve stable voltage output of the converter under different modes.The experimental results show that the converter can achieve soft switching under different modes,and the gain is broadened and the output efficiency is significantly improved.Key words:mode switching;third harmonic;wide gain;fundamental harmonic approximation LLC 谐振变换器具有开关损耗小、效率高、体积小、功率密度高1-2等特点，在计算机、电动汽车、LED照明系统和新能源发电等领域有广泛应用3-4。随着全球气候问题日益严峻，清洁能源取代传统能源是发展趋势。风力、太阳能等清洁能源由于受到自然因素的影响，其发电电压变化波动大，需要相应增大 LLC 谐振变换器的输入电压范围。传统 LLC 谐振变换器在宽输入电压下，存在输出电压不稳定、开关频率变化范围过大等问题，使得损耗明显增加，不利于磁性元件设计及优化。关于宽输入电压范围下 LLC 谐振变换器拓扑结构和控制策略5-7的研究成果丰富，如：文献89在谐振 冯兴田，等：输入电压波动下宽增益谐振变换器优化设计 151 变换器中加入辅助开关，但增加了变换器损耗和电路成本；文献1011通过改变谐振变换器结构，一定程度上拓宽增益，但是控制过于复杂，开关频率范围波动较大，不利于磁性元件的设计；文献12提出了混合模式定频控制的改进型 LLC 谐振变换器，实现宽输入和高增益，但是存在一个模态无法将能量传给副边，导致损耗增大、效率降低；文献13研究了四元件 CLCL 谐振直流变换器，但存在电路形式固定、灵活性有限、电压增益范围有待拓宽等问题；文献14将谐振变换器整流部分的一个分支用同步整流开关代替，使得输入电压范围增大，但同步整流器增加了成本，而且难以避免较大的电流应力。本文设计了一种基于输入电压变化的全桥-半桥模态切换的宽增益谐振变换器，在传统 LLC 谐振变换器的基础上增加电容、电感的并联结构，构建了CL-LLC 谐振变换器，此变换器中的逆变单元可在全桥结构和半桥结构之间灵活切换，同时对谐振单元的结构进行优化，增大了变换器输入电压的范围，且能够在较窄的频率范围内获得较宽的电压增益。1 数学建模与运行原理分析 CL-LLC 谐振变换器由逆变单元、谐振单元、变压器和整流单元 4 部分构成。图 1 为全桥 CL-LLC 谐振变换器的拓扑结构，原边开关管 P1P4 组成了电路的全桥逆变桥臂，其中二极管 DP1DP4分别是 P1P4 的寄生二极管，电容 CP1CP4分别是 P1P4 的寄生电容。在传统 LLC 变换器的基础上，除谐振电感Lr、谐振电容 Cr和励磁电感 Lm外，加入附加电容 Cx和附加电感 Lx，变压器变比为 n11，副边二极管D1、D2 组成全波整流单元，输出电容 C0起到滤波和稳压的作用。当开关管 P3 保持关断，开关管 P4 保持导通时，变换器在半桥模式工作。图 1 全桥 CL-LLC 谐振变换器 1.1 CL-LLC 建模 CL-LLC 谐振变换器在不同模式运行时，均采用变频控制。为便于建模与推导电压增益表达式，以全桥拓扑结构为例，通过基波近似法（first harmonic approximation，FHA）建立等效电路模型（图 2），推导增益表达式。图 2 全桥 CL-LLC 等效电路图 将负载电阻 RL等效至一次侧，可得等效电阻（Req）和谐振腔等效阻抗（Xeq）分别为 eqL022d(8)UnRRI=（1）eqrxxr11j/jjjXLLCC=+|（2）式中，Ud为负载电压；I0为负载电流；n为变压器变比；j表示转换至复数形式下；“/”表示并联。由等效电路图可以推导Ud计算式为 abmeqdeqmeq()(j/)()(j/)UtLRUtXLR=+（3）式中，Uab为谐振单元输入电压。则传递函数H的表达式为 meqdabeqmeq(j/)(j)(j/)LRUHUXLR=+（4）由于CL-LLC变换器为LLC改进型变换器，因此谐振频率fr、品质因数Q、电感比d参数表达式分别为 rrr12fL C=（5）rreqLCQR=（6）mrLdL=（7）由于CL-LLC变换器引入电容Cx和电感Lx两个152 实 验 技 术 与 管 理 新元件，功率由基波和三次谐波共同传输，因此存在两个谐振点，对应的谐振频率分别为fr1、fr215-16。令eq0X=，可得其变换器谐振频率分别为 2r1r42myffmy-=（8）2r2r42myffmy+-=（9）式中，附加电感比xrLmL=；附加电容比xrCyC=；mymy=+。则归一化频率fu为 sur1fff=（10）式中，fs为开关频率。电压增益表达式和传递函数存在如下关系 u1(,)|(j)|G d fQH=（11）联立式（5）、（6）、（7）、（8）、（10）、（11），令系数22222(11)()11uuumfyfyfm-=+-+，（为变换器效率），则全桥增益函数可表示为 1u2222uu1(,)1G d fQQfdf=-+|（12）LLC谐振变换器的逆变单元在半桥模式与全桥模式的区别是于输入谐振单元的等效电压减半，由式（4）、（11）可得半桥增益为全桥增益的二分之一，即 ab2u1ud1(,)(,)2UG d fQG d fQU=（13）通过傅里叶分解展开式可得 abins1,3,5D1s1,3,51sin(2)1sin(2)hhUUf hthIPf hth=（14）式中，Uab为谐振单元输入电压；Uin为输入电压；ID1为副边二极管电流；P为基本正弦波峰值；h为谐波次数；t为时间。本文推导过程中忽略了高次谐波，仅研究基波和三次谐波对变换器的影响。1.2 CL-LLC 运行原理 本文以全桥模式下的工作为例，介绍变换器在不同阶段的运行原理。如图3所示，T1T4为开关管P1P4脉冲，ILr为谐振电感电流，ILm为励磁电感电流，ID1为流过副边二极管D1的电流，由于开关管电流为基波电流与三次谐波电流之和，因此呈马鞍形态。（1）在t0时刻，P2、P3关断，寄生二极管DP1、DP4两端电压为0，在t1时刻T1、T4能够实现零电压开通(ZVS)。（2）t1t2，励磁电感Lm被钳位，为恒压储能，励磁电流反向减小，输出侧电容储能。（3）t2t3，负载能量由输出端电容供给。（4）t3t4，变压器再次传递能量，Lm处于恒压储能状态。（5）t4t5，P1、P4关断，P2、P3进入死区时间，为P2、P3的ZVS开通创造条件。后半周期与前半周期类似，不再赘述。（规定电流从左向右为正）图 3 全桥谐振电路波形图 2 参数优化设计 传统全桥LLC谐振变换器增益函数17-18为 1u2222uu1(,)111111uG d fQQfdff=+-|（15）由前文所述及式(4)、(10)可得传统LLC半桥增益为 2u2222uu1(,)1112111uG d fQQfdff=+-|（16）由于CL-LLC谐振变换器为改进型LLC谐振变换器，因此CL-LLC增益函数与LLC增益函数中的电感比、品质因数意义相同，均用字母d、Q表示。在参数设计首先确定d、Q值，m和y的值通过其本身对CL-LLC增益曲线的影响及增益曲线形态来确定。由于CL-LLC谐振变换器存在谐振零点，因此必然满足最小增益要求，将参数带入CL-LLC增益曲线检验是否满足最大增益要求。参数设计流程参见图4。|冯兴田，等：输入电压波动下宽增益谐振变换器优化设计 153 图 4 参数设计流程图 由于变换器在全桥-半桥模态下工作，因此需要兼顾各模式下的增益要求。负载最重时能够达到高增益，则在其他情况下也必然能够达到最高增益，由于全桥模态增益最大值为半桥模态的两倍，因此仅在全桥模态增益最大（Qmax）情况下检验最大增益，从而选择合适的d值。负载最轻时能够达到低增益，在此情况下，全桥模态达到最低增益的要求比半桥模态更为复杂，因此要在全桥模态增益最小（Qmin）情况下满足最低增益，则其他情况下也能达到最低增益。最后再验证改进后的结构是否满足最大增益要求，最终可得d=0.45，Q=1.3。由于CL-LLC谐振变换器引入三次谐波，即引入m，y两个参数，增益曲线始终交汇于（1，1），即归一化频率为1时，增益大小也为1，输入输出保持不变，这与LLC增益特性曲线一致，m、y仅影响增益曲线的谐振零点f0位置，即增益为0的归一化频率点位置。为了高效利用三次谐波，提升变换器效率，不能使f0距离fr1和fr2太近或太远：太近会导致增益曲线斜率太大，微调频率增益波动过大，造成环路稳定性较差；太远导致增益曲线变化比较平缓，电压调节特性没有得到改善。综上所述，取f0=2fr1，fr2=3fr1。电路参数如表1所示。表 1 电路参数 参数 数值 输入电压 Uin/V 55220 输出电压 U0/V 30 谐振点频率 fr1/kHz 100 谐振点频率 fr2/kHz 300 参考谐振频率 f0/kHz 200 变换器谐振频 fr/kHz 104.2 变压器变比 n 1033 谐振电感 Lr/H 53.65 谐振电容 Cr/nF 43.48 励磁电感 Lm/H 24.14 附加电感 Lx/H 50.43 附加电容 Cx/nF 6.087 9 滤波电容 C0/F 1 000 3 仿真与实验 3.1 仿真分析 多模式变换器运行切换点的选取需要结合输入电压的变化范围，要在实现软开关、降低损耗以及谐振网络最大利用率的基础上进行选取。本文将全桥半桥模态切换点选为110 V，当输入电压为55110 V时，为全桥工作模态；当输入电压为110220 V时，为半桥工作模态。图5为优化结构后得到的仿真波形，其中，ZVS表 图 5 优化后结构仿真波形 154 实 验 技 术 与 管 理 示零电压开通；ZCS表示零电压关断。图5(a)、(b)表明改进后的谐振变换器可在宽输入条件下，实现全负载范围内软开关。从图5(c)可以看出改进后的谐振变换器增益峰值点增大且右移，频率大于100 kHz时，增益调节更加灵活。因此，该CL-LLC谐振变换器能够实现宽增益。由图5(d)可知全桥、半桥模态切换时，变换器波动较小、切换平滑，能够将切换时开关管带来的损耗降至最低。图5(e)给出了在相同条件下，不同输入电压在两种拓扑结构下对应的效率曲线。由于引入三次谐波，提升传输功率，降低电流损耗，改进后谐振变换器效率明显高于传统LLC谐振变换器效率（图5(f)）。改进后的谐振变换器峰值效率可达97.15%，说明全桥-半桥变换器在实现宽输入电压范围的同时能够保持较高的效率。3.2 实验验证 为验证全桥-半桥模态切换的宽增益谐振变换器 结构的正确性，设计搭建如图6所示的实验样机，控制板以DSP28335为核心，采用SiC MOSFET开关管和副边整流二极管，可提升系统整体运行效率。图7为实验样机运行波形图。由图7(a)可知，当输入电压由80 V逐渐增大到200 V时，输出电压稳定在30 V，在1.5 s时进行模态切换有微小波动。由图7(b)可知，原边MOSFET开关管实现ZVS导通。由图7(c)可知，开关管关断瞬间，谐振电流波形仍保持马鞍形周期性波动，未出现骤降现象，说明副边整流二极管实现ZCS关断。由图7(d)、(e)可知，任意输入一个电压值，系统自动检测电压大小并工作在相对应的模态，并能够实现稳定输出。由图7(f)可知，在各种负载条件下，输出电流不断变化而输出电压基本保持稳定。图 6 基于模态切换的宽增益谐振变换器实验样机 图 7 实验样机运行波形图 冯兴田，等：输入电压波动下宽增益谐振变换器优化设计 155 图8为不同电压下改进结构和传统LLC变换器结构增益大小的对比曲线。首先，LLC增益值在全桥-半桥模态切换时存在断层，增益范围缩小，而CL-LLC结构具有增益调节灵活的特性，频率波动较小，能在两模态切换时避免此问题的发生。其次，CL-LLC曲线整体斜率明显大于LLC曲线整体斜率，微调输入电压便能够到达灵活调节增益的目的，CL-LLC增益范围更广，最低增益两者虽然近似，但是最高增益有显著增加，因此相同电压范围内，改进结构能够有效拓宽增益范围。图 8 输入电压变化对增益的影响 4 结语 本文通过优化谐振腔结构，解决了输入电压波动较大时，无法保持输出稳定和增益范围较窄的问题。增益范围由01.7拓宽至02.45，整体效率显著提升，其中效率峰值由94.50%提升至97.15%。通过仿真和实验验证了所提模态切换的宽增益谐振变换器结构及其控制策略的正确性和可行性，可满足宽电压输入、宽增益范围、高谐振频率场合的需求。参考文献(References)1 YANG B.Topology investigation for front end DC/DC power conversion for distributed power systemD.Blacksburg:Virginia Polytechnic Institute and State University,2003.2 WEI Y Q,LUO Q M,MANTOOTH A.LLC resonant converter-frequency domain analysis or time domain analysisC/2020 IEEE 9th International Power Electronics and Motion Control Conference(IPEMC2020-ECCE Asia),Nanjing,China,2020:552557.3 WANG Y J,GUAN Y S,HUANG J P,et al.A single-stage led driver based on interleaved buck-boost circuit and LLC resonant converterJ.IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power 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