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LLC變換器由于具有高效率、小體積以及寬范圍軟開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)在航空電源、直流微電網(wǎng)、燃料電池、船舶動力系統(tǒng)等方面擁有越來越廣泛的應(yīng)用。一般情況下，LLC變換器常采用脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation, PFM）方式調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)寬范圍的輸出電壓調(diào)節(jié)。為了在有限的工作頻率下實(shí)現(xiàn)LLC變換器的寬范圍電壓輸出，很多學(xué)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(shù)或者結(jié)構(gòu)的優(yōu)化增加變換器輸出電壓的范圍。有學(xué)者通過采用較大諧振電感與勵磁電感之比的參數(shù)設(shè)計(jì)原則，以得到寬輸出電壓范圍下的諧振腔參數(shù)。

而有學(xué)者通過增加諧振腔元件的方式在諧振腔中組建LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，以改變特定頻率下的諧振腔阻抗，這種結(jié)構(gòu)在特定頻率點(diǎn)（并聯(lián)諧振點(diǎn)）處的電抗值趨于無窮，若變換器工作在此頻率點(diǎn)附近可實(shí)現(xiàn)極低電壓的輸出。

有學(xué)者在諧振腔中加入了冗余結(jié)構(gòu)，增加了一個高頻變壓器，兩個變壓器采用一次側(cè)串聯(lián)二次側(cè)并聯(lián)的方式，使用開關(guān)管控制冗余變壓器是否加入諧振腔。有學(xué)者提供了兩種高頻變壓器二次側(cè)增加有源器件的寬范圍電壓輸出結(jié)構(gòu)，利用增加的開關(guān)管控制整流器結(jié)構(gòu)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(xué)者用于二次側(cè)。

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(jié)構(gòu)的改變，會額外增加系統(tǒng)體積，同時(shí)降低效率。

優(yōu)化驅(qū)動信號調(diào)制方式同樣可以增加輸出電壓范圍。一般在PFM控制的基礎(chǔ)上，可加入脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）、移相控制（Phase Shift Modulation, PSM）和突發(fā)控制（Burst- mode control）。這幾種控制方法已經(jīng)在其他一些類型的變換器中廣泛應(yīng)用，但在LLC變換器中使用時(shí)會存在一些新的問題。

有學(xué)者使用了PWM控制方式與PFM控制結(jié)合。PWM控制會使得開關(guān)管和輸出二極管可能處于發(fā)熱不均衡狀態(tài)，同時(shí)開關(guān)管的軟開關(guān)特性同樣受到影響。PSM控制已有很多在LLC變換器中的應(yīng)用，但滯后橋臂在移相角較大的情況下，其軟開關(guān)會受到影響，尤其當(dāng)電路工作在輕載狀態(tài)時(shí)，這種現(xiàn)象會影響變換器工作的可靠性。

而為了達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要在變換器的硬件參數(shù)以及開關(guān)頻率方面進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化。Burst控制將開關(guān)管陣列的輸出電壓由連續(xù)模式轉(zhuǎn)換為不連續(xù)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(shí)會增加輸出紋波，惡化系統(tǒng)的EMI特性。

由上述分析可知，采用優(yōu)化控制策略的方式可以在保持LLC變換器體積效率優(yōu)勢的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬電壓范圍輸出，但在應(yīng)用時(shí)均存在一些額外的問題從而限制了實(shí)際的輸出電壓下限。

強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)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(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)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(yīng)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(shí)，PWM控制能夠減小Burst開通（Burst-on）時(shí)段內(nèi)諧振腔電流峰值，而Burst控制能夠在Burst-on時(shí)段內(nèi)為PWM控制下的開關(guān)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(nèi)的特性和穩(wěn)定性。然后采用狀態(tài)空間軌跡法給出了諧振腔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以及確定PWM控制下的最小占空比。最終實(shí)驗(yàn)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(shù)設(shè)計(jì)流程

研究人員得到以下結(jié)論：

1）LLC變換器的輸出部分采用半橋結(jié)構(gòu)時(shí)，使用PWM控制不會導(dǎo)致勵磁電流存在直流分量。因此，在進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，僅需對諧振電感和電容值進(jìn)行優(yōu)化，而無需考慮PWM占空比改變時(shí)會使變壓器產(chǎn)生偏磁。

2）PWM控制可有效降低Burst-on時(shí)段內(nèi)的電流應(yīng)力，而Burst控制能夠在Burst-on時(shí)段內(nèi)提供足夠的電流以使開關(guān)管實(shí)現(xiàn)高頻軟開關(guān)。兩種方式相結(jié)合，使得變換器在寬范圍電壓輸出的基礎(chǔ)上仍然能夠保持變換器的可靠性。

3）Burst-on時(shí)段內(nèi)的電流變化規(guī)律僅與輸入與輸出電壓差值以及諧振腔參數(shù)有關(guān)，而與負(fù)載參數(shù)無關(guān)。因此，諧振腔參數(shù)的優(yōu)化過程無需考慮負(fù)載變化，減少了參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

4）開關(guān)管的軟開關(guān)可通過限制最小PWM占空比的方式實(shí)現(xiàn)。最小PWM占空比僅與變換器輸入和輸出電壓之差有關(guān)，可將此關(guān)系直接存儲在軟件系統(tǒng)中。在控制時(shí)根據(jù)所測輸出電壓直接確定占空比大小，控制復(fù)雜度不會受到較大影響。

以上研究成果已發(fā)表在2019年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)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。