- 頭條北京交通大學科研團隊提出LLC諧振變換器的改進型電流解析方法2022-04-09 作者：焦健、郭希錚 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語在LLC諧振變換器中，對諧振電流的精確解析可以實現變換器的損耗計算。北京交通大學電氣工程學院的研究人員焦健、郭希錚 等，在2021年第23期《電工技術學報》上撰文，基于諧振電流近似擬合法提出一種改進型LLC諧振變換器電流解析方法，分析死區時間內的開關管結電容充放電過程、諧振電流的變化過程，通過對表達式中初始值的計算方法進行修正，該方法計算得到的諧振電流在死區時間內的變化情況更加準確。 仿真結果表明，所提出的改進解析式相比原有的方法，在死區時間范圍內可以準確描述諧振電流變化過程，相較于其他方法獲得的初始值和勵磁電流峰值，所提出方法的計算結果誤差更小。實驗結果進一步證明該文所提出的諧振電流解析方法的有效性和正確性。
LLC諧振變換器具有一系列優良性能：實現一次側開關管零電壓開通和二次側整流橋二極管的零電流關斷；一次側和二次側實現電氣隔離；寬范圍的電壓調節性能，既能實現升壓，也能實現降壓等，在軌道交通牽引電力電子變壓器、新能源汽車充電裝置、服務器電源及其他工業電源等場合得到廣泛應用。
LLC諧振變換器的效率提升和參數優化設計是當前一個重要研究方向，有學者通過改進變換器拓撲結構、設計最優參數、優化控制方法等方面提升了LLC諧振變換器的效率。
在LLC諧振變換器的參數設計過程中，不僅需要考慮變換器的總損耗，而且需要通過變換器各部分電流的具體變化情況對開關器件和其他部件進行合理選型。利用仿真軟件直接計算損耗存在計算量大、費時等缺點，而通過電流解析表達式結合變換器的損耗模型計算損耗的方法則具有計算速度快的優勢。
另外，通過利用電流解析表達式和系統損耗模型對不同參數條件下的變換器的損耗進行計算和比較，可以對變換器參數進行最優設計，而利用仿真軟件直接計算損耗則不利于大規模的參數選取和變換器參數優化設計。所以對LLC諧振變換器的諧振電流進行精確解析是十分必要的。
現有文獻中對諧振電流的解析式計算主要包括兩大類：
第一類是列寫諧振電流和諧振電感電壓的微分方程，通過求解微分方程的方法，直接計算出諧振電流和諧振電感電壓的表達式。
有學者通過時間分段，列寫電流、電壓微分方程，然后求解微分方程，得到比較精確的相關變量解析表達式。但是該方法的準確性易受到參數變化的影響，并且方程式中包含的三角函數較多，計算量較大。該方法的準確性依賴于初始值求解的準確性，當求解初值不正確時會導致分段函數不連續，從而不能準確描述諧振電流的變化過程。
有學者采用了列寫LLC微分方程的方法求解諧振電流，除了最終電流表達式比較繁瑣外，為了簡化分析過程，這些方法沒有進一步對死區時間內諧振電流的變化情況做出分析。
第二類是在不同時間段上直接分析和求解諧振電流解析式的方法，也稱為電流近似擬合法。
有學者將勵磁電流近似等效為三角波，假設其在前后半周期中分別保持斜率不變，將二次側整流橋二極管的波形近似等效為正弦電流，通過疊加折算到一次側的整流橋二極管電流和勵磁電流得到諧振電流。該方法的問題在于，沒有考慮LC兩諧振階段和LLC三諧振階段的勵磁電流斜率變化，并且沒有考慮死區時間對諧振電流和勵磁電流產生的影響。
有學者在此基礎上，采取分段解析法，進一步考慮不同諧振階段勵磁電流斜率的變化，但是該方法僅考慮勵磁電流和諧振電流在死區時間內保持不變，沒有考慮開關管結電容的充放電過程對勵磁電流、諧振電流的影響，對死區時間和結電容充放電時間沒有做出區分，這樣會對LLC軟開關的分析和體二極管損耗計算的準確性產生影響。有學者比較了頻域分析法和時域分段解析法對LLC變換器增益和參數設計的影響，為了簡化分析，該學者在研究中忽略了死區時間的作用。
北京交通大學電氣工程學院的研究人員提出一種LLC諧振變換器的改進型電流解析方法。在現有諧振電流近似擬合法的基礎上，他們進一步考慮了死區時間內開關管結電容的充放電過程，結合開關管結電容的電壓變化，對死區時間內諧振電流和勵磁電流的變化進行精確分析，得到死區時間內的諧振電流和勵磁電流的準確表達式。
圖1 LLC諧振變換器實驗平臺
研究人員結合其他時間段的電流表達式，得到完整的諧振電流和勵磁電流的解析式，并且基于該解析式對關鍵時刻初始值和其他常數進行了詳細的分析計算。通過與仿真結果、其他電流擬合方法進行對比，可以得到，所提出的改進型電流解析式能更準確地描述死區時間內諧振電流的變化情況，其與仿真結果的誤差比其他電流解析方法與仿真結果的誤差更小。
實驗結果表明，本電流解析方法得到的諧振電流與實驗中的諧振電流比較接近，誤差較小，進一步說明該改進型電流解析式可以準確計算實際LLC諧振變換器的諧振電流值。
本文編自2021年第23期《電工技術學報》，論文標題為“LLC諧振變換器的改進型電流解析方法”，作者為焦健、郭希錚 等。
