- 頭條實現LLC變換器寬電壓輸出的方法2021-03-22 作者：石林 劉邦銀 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語LLC諧振變換器一般采用脈沖頻率調節（PFM）方式控制輸出電壓，因此在最大開關頻率受限的情況下輸出電壓范圍同樣會受到限制。強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院）的研究人員石林、劉邦銀、段善旭，在2019年第22期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于突發控制-變占空比控制（Burst-PWM）的混合控制模式，以實現LLC變換器的寬電壓范圍輸出。
LLC變換器由于具有高效率、小體積以及寬范圍軟開關等優點在航空電源、直流微電網、燃料電池、船舶動力系統等方面擁有越來越廣泛的應用。一般情況下，LLC變換器常采用脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation, PFM）方式調節輸出電壓。然而變換器的工作頻率范圍受到器件的限制，難以實現寬范圍的輸出電壓調節。為了在有限的工作頻率下實現LLC變換器的寬范圍電壓輸出，很多學者從電路不同方面提出了各種增加輸出電壓范圍的方法。
首先在工作頻率受限的情況下可通過參數或者結構的優化增加變換器輸出電壓的范圍。有學者通過采用較大諧振電感與勵磁電感之比的參數設計原則，以得到寬輸出電壓范圍下的諧振腔參數。
而有學者通過增加諧振腔元件的方式在諧振腔中組建LC并聯諧振網絡，以改變特定頻率下的諧振腔阻抗，這種結構在特定頻率點（并聯諧振點）處的電抗值趨于無窮，若變換器工作在此頻率點附近可實現極低電壓的輸出。
有學者在諧振腔中加入了冗余結構，增加了一個高頻變壓器，兩個變壓器采用一次側串聯二次側并聯的方式，使用開關管控制冗余變壓器是否加入諧振腔。有學者提供了兩種高頻變壓器二次側增加有源器件的寬范圍電壓輸出結構，利用增加的開關管控制整流器結構在全橋和半橋兩者間切換，增加了變換器同樣工作頻率范圍下的輸出電壓范圍。這種全橋與半橋工作切換的方式同樣有學者用于二次側。
上述方法能夠有效拓寬LLC變換器輸出電壓范圍，但由于電路結構的改變，會額外增加系統體積，同時降低效率。
優化驅動信號調制方式同樣可以增加輸出電壓范圍。一般在PFM控制的基礎上，可加入脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）、移相控制（Phase Shift Modulation, PSM）和突發控制（Burst- mode control）。這幾種控制方法已經在其他一些類型的變換器中廣泛應用，但在LLC變換器中使用時會存在一些新的問題。
有學者使用了PWM控制方式與PFM控制結合。PWM控制會使得開關管和輸出二極管可能處于發熱不均衡狀態，同時開關管的軟開關特性同樣受到影響。PSM控制已有很多在LLC變換器中的應用，但滯后橋臂在移相角較大的情況下，其軟開關會受到影響，尤其當電路工作在輕載狀態時，這種現象會影響變換器工作的可靠性。
而為了達到設計指標，需要在變換器的硬件參數以及開關頻率方面進行相關的優化。Burst控制將開關管陣列的輸出電壓由連續模式轉換為不連續模式，減少了諧振腔等效輸入電壓，從而減小了輸出電壓。但Burst控制同時會增加輸出紋波，惡化系統的EMI特性。
由上述分析可知，采用優化控制策略的方式可以在保持LLC變換器體積效率優勢的基礎上實現寬電壓范圍輸出，但在應用時均存在一些額外的問題從而限制了實際的輸出電壓下限。
強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院）的研究人員，針對半橋LLC變換器，提出了一種Burst-PWM混合控制方法，所提方法能夠在較低電壓到額定電壓的寬輸出范圍內，同時實現開關管的ZVS，提高了變換器在寬范圍輸出條件下的可靠性，擁有較好的EMI特性。
首先分析Burst控制與PWM控制應用在LLC變換器中的特性及其不足之處。采用Burst-PWM混合控制時，PWM控制能夠減小Burst開通（Burst-on）時段內諧振腔電流峰值，而Burst控制能夠在Burst-on時段內為PWM控制下的開關管提供足夠的零電壓開通（ZVS）電流。
這種方式能夠保證變換器在寬電壓范圍內的特性和穩定性。然后采用狀態空間軌跡法給出了諧振腔參數優化設計方法以及確定PWM控制下的最小占空比。最終實驗證明了分析的正確性以及所述方法的有效性。
圖4 半橋LLC變換器控制框圖
圖7 混合控制參數設計流程
研究人員得到以下結論：
1）LLC變換器的輸出部分采用半橋結構時，使用PWM控制不會導致勵磁電流存在直流分量。因此，在進行參數優化設計時，僅需對諧振電感和電容值進行優化，而無需考慮PWM占空比改變時會使變壓器產生偏磁。
2）PWM控制可有效降低Burst-on時段內的電流應力，而Burst控制能夠在Burst-on時段內提供足夠的電流以使開關管實現高頻軟開關。兩種方式相結合，使得變換器在寬范圍電壓輸出的基礎上仍然能夠保持變換器的可靠性。
3）Burst-on時段內的電流變化規律僅與輸入與輸出電壓差值以及諧振腔參數有關，而與負載參數無關。因此，諧振腔參數的優化過程無需考慮負載變化，減少了參數設計復雜度。
4）開關管的軟開關可通過限制最小PWM占空比的方式實現。最小PWM占空比僅與變換器輸入和輸出電壓之差有關，可將此關系直接存儲在軟件系統中。在控制時根據所測輸出電壓直接確定占空比大小，控制復雜度不會受到較大影響。
以上研究成果已發表在2019年第22期《電工技術學報》，論文標題為“一種基于Burst-PWM混合控制的LLC諧振變換器寬電壓范圍輸出策略”，作者為石林、劉邦銀、段善旭。
