双电感集成LLC谐振变换器原理与设计_荣德生.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 32 双电感集成LLC谐振变换器原理与设计荣德生，王铭开(辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛 125105)摘要：针对传统LLC谐振变换器输出电压增益低、开关频率远离谐振频率时效率下降的问题，提出一种双电感集成LLC谐振变换器。它将两个结构相同、谐振电感值不同的谐振单元进行结合，并将其集成在一个磁性元件上，采用辅助开关管控制辅助电感的工作状态实现电路模式的转换。将不同工作方式中影响增益的重要参数分别进行了可视化分析，选取两种模式增益曲线相交处作为模式最佳切换点，并搭建电路模型和集成电感3D模型进行仿真，验证理论的正确性。最后，进行合理的参数设计，搭建实验样机，验证了所提变换器的工作状态、软开关特性和增益特性等关键性能指标。与传统LLC谐振变换器相比，所提拓扑能在相同的频率范围内实现更高的增益，电感体积较集成前减小30%，变换器效率最大可达93.4%。关键词：LLC谐振变换器；双电感；磁集成；电压增益中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1001-3830(2023)02-0032-10DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.02.007著录格式：荣德生,王铭开.双电感集成LLC谐振变换器原理与设计J.磁性材料及器件,2023,54(2):32-41./RONG De-sheng,WANG Ming-kai.Principle and design of dual-inductors-integrated LLC resonant converter J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(2):32-41.Principle and design of dual-inductors-integrated LLC resonant converterRONG De-sheng,WANG Ming-kaiSchool of Electrical and Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,ChinaAbstract:A dual-inductor integrated LLC converter is proposed to solve the problem of low output voltage gain of LLC resonant converter and low efficiency when switching frequency is far from resonant frequency.It combines two resonant units with the same structure and different resonant inductance values,and integrates them into a magnetic element.The switching mode of the circuit is realized by using the auxiliary switch tube to control the operating state of the auxiliary inductance.The important parameters affecting the gain in different working modes were analyzed visually,and the intersection point of the gain curves between two modes was selected as the optimal switching point of the modes.Furthermore,a circuit model and a 3D integrated inductance model were built to simulate and verify the correctness of the theory.Finally,a reasonable parameter design and an experimental prototype are built to verify the working state,soft-switching characteristics and gain characteristics of the proposed converter.It is shown that the proposed structure have higher gain in the same frequency range compared with the conventional LLC resonant converter.The inductor volume is reduced by 30%than before the integration,and the converter efficiency is up to 93.4%.Key words:LLC resonant converter;dual-inductors;magnetic integration;voltage gain1 引言在城市配电网中应用直流配电系统，可以提高分布式电源如光伏发电系统接入的可靠性和可控性，具有较高的经济性和应用性1-7。在常见的两级式电能变换结构中，LLC谐振变换器因满足软开关特性8而受到重点关注。目前，众多学者已通过拓扑变型的方式对LLC谐振变换器的增益调节进行了研究和创新。文献9在全桥与半桥切换的基础上，利用辅助开关管控制辅助变压器的切入和切出实现4倍增益范围，其本收稿日期：2022-03-26 修回日期：2022-05-09基金项目：辽宁省教育厅重点攻关项目(LJ2020ZD004)通讯作者：王铭开 E-mail:荣德生等：双电感集成LLC谐振变换器原理与设计 33 质是利用辅助变压器的励磁电感改变谐振网络的谐振参数，但两个变压器的使用无疑增大了变换器的体积，且全桥与半桥的切换易出现输出电压超调或欠调的问题10。文献11利用交错模式将倍压单元复用同样实现了最小输出电压的4倍增益，但两相的不对称结构以及单相与两相的切换会使输出电压不平滑。文献12在不增加其他元器件的情况下，通过可控直流电流实现可变电感以满足交错各模块均流的基本要求，但可变电感的设计难度较大，且控制成本较高。受文献9和12的启发，提出了一种新型的双电感集成LLC谐振变换器，将两个电感集成在一个磁芯上，利用辅助开关管控制辅助电感的工作状态实现电路模式的转换。与此同时，基于FHA分析和传统增益特性分析方法，对于不同电路工作方式给出了不同的可视化三维参数选取模型，并通过仿真和实验共同验证了参数设计的合理性和模式最佳切换点的正确性。2 工作原理2.1 双电感集成拓扑结构演变无论是文献9中辅助变压器的应用还是文献12中可变电感的设计，其本质都是通过改变谐振单元的谐振参数来实现电压增益的调节。与变压器相比，电感在体积上和设计难度上都有很大的优势。因此，本文设计初衷是利用两组辅助开关管分别控制感值不同的谐振电感来实现电路模式的转换，如图1所示。当Q5、Q6开通时，L1接入电路工作；当Q7、Q8开通时，L2接入电路工作。根据输出电压需求不同可选择不同的电路工作方式。为有效减小磁性元件的体积，采用磁集成技术将两个电感进行集成。结合文献11的单元复用思路，将辅助开关管由两组减至一组，大大降低了辅助开关管硬开关导致的开关损耗。双电感集成LLC谐振拓扑结构如图2所示。全桥逆变由开关管Q1Q4组成，同桥臂开关管相位相差180导通，DS1DS4和C1C4分别是开关管对应的体二极管和寄生电容；谐振回路由谐振电感Lr1、辅助电感Lr2、励磁电感Lm和谐振电容Cr组成，其中谐振电感Lr1和辅助电感Lr2采取串联反向耦合的方式连接，通过开关管Q5、Q6构成的双向辅助开关管控制；全桥整流包含4个二极管D1D4和一个滤波电容Cf，R0为负载电阻，变换器原副边由n:1的变压器T连接。变换器的电路工作模式分为辅助电感接入电路和不接入电路两种，如图3所示。正常工作状态下，辅助双向开关管开通，辅助电感Lr2未接入电路，此时只有谐振电感Lr1工作，与传统LLC谐振变换器相同；当输出电压需求提升时，辅助双向开关管关断，此时辅助电感Lr2接入电路，与谐振电感Lr1产生串联反接耦合，改变原有谐振电感值，输出增益因谐振参数的改变而提高。2.2 工作模态分析LLC 最重要的特性是原边开关管零电压开通(ZVS)和副边二极管零电流关断(ZCS)，前提是开关频率fs满足fmfsfr的条件13。谐振电感Lr与谐振电容Cr两元件串联谐振频率为fr，谐振电感Lr、谐振电容Cr和励磁电感Lm三元件串并联谐振频率为fm。其中：fr=12LrCr(1)fm=12(Lr+Lm)Cr(2)图4给出了fmfsfr区域内变换器的主要工作波形。图5给出此区域内变换器半个周期的4种工作模态。L1LmCrTQ5Q6L2Q7Q8 图1 双电感集成拓扑的演变VinQ1DS1C1Q2DS2C2Q3DS3C3Q4DS4C4Q5DS5C5Q6DS6C6Lr1Lr2LmCrTD1D2D3D4CfR0n:1 图2 双电感集成LLC谐振变换器电路磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 34 模态(t0t1)：在t0时刻之前，反并联二极管DS1、DS4已经导通，即在t0时刻开关管Q1、Q4实现ZVS，Lr和Cr发生串联谐振，能量通过变压器传递到副边，整流二极管D1、D4导通，励磁电感Lm因输出电压钳位不参与谐振。励磁电流im线性上升，谐振电流ir以正弦形式上升，整流二极管的电流id=ir-im。模态(t1t2)：在t1时刻，谐振电流ir下降至与励磁电流im相等，整流二极管D1、D4实现ZCS，变压器不向负载侧传递能量，Lm不被输出电压钳位开始参与串并联谐振。由于励磁电感Lm的电感值比谐振电感Lr大很多，串并联谐振周期很长，因此该模态下电流的变化趋势近似一条直线，可以认为ir在此期间保持不变。此时负载所需能量由滤波电容Cf的储能来提供。模态(t2t3)：在t2时刻，开关管Q1、Q4关断，且此时Q2、Q3尚未开通，进入死区时间。回路中谐振电流ir与励磁电流im相等，变压器一次侧和二次侧断开，能量不向负载侧传递。谐振电流ir给Q1、Q4的寄生电容C1、C4充电，同时对Q2、Q3的寄生电容C2、C3形成放电通路，两组桥臂的能量相互交换。此时负载所需的能量依然由滤波电容Cf的储能提供。模态(t3t4)：在t3时刻充放电过程结束，谐振电流ir流经Q2、Q3的反并联二极管DS2、DS3，为Q2、Q3的ZVS做准备。谐振电流ir和励磁电流im在t3时刻分别开始以正弦形式和线性反向增大，能量通过变压器传递到副边，由于能量发生转移之后，谐振腔的输入端压降极性发生改变，因此整流二极管D2、D3导通，Lm被输出电压钳位，不参与谐振。当Q2、Q3的驱动信号到来时，后半个周期开始，因模态本质与前半个周期类似，故不再重复。3 增益特性分析将串联反接耦合的电感进行解耦，等效为Leq，假定两电感为全耦合，即：Leq=Lr1+Lr2-2M(3)MLr1Lr2=1(4)其中，M为两电感线圈间的互感。解耦后，两种电路皆可视为传统LLC的工作模式，则对一种电路工作方式采用FHA进行建模分析即可，等效电路如图6所示。假设所有元器件均理想化、开关管的寄生电容不参与谐振、输出电压无纹波14。输入电压uin的基波有效值：Vin.FHA=22Vin(5)输出电压uo折算到变压器原边的基波有效值：Vo.FHA=22Vo(6)负载折算至变压器原边的交流等效阻抗：Req=8n