一种基于LLC的宽电压输出的功率变换器设计

胡国民 吴方捷

（南京康尼新能源汽车零部件有限公司）

关键字：宽电压；增益；电压输出；变换器设计

0 引言

LLC作为一种广泛应用的谐振变换器，多应用于固定电压或小范围输出电压可调的应用场景[1]。由于其谐振腔参数的计算较为复杂，需要在合适的增益曲线与最优的磁性元件设计之间做出权衡，这给宽电压的输出设计造成了一定的障碍[2]。

传统的PFC（功率因数校正电路）+LLC架构的AC-DC变换器通常需要采用可变电压的前级PFC， 以减小LLC级的增益范围，这种方案不仅显著提升成本，还需要PFC与LLC的输出电压的协同控制，整体的控制策略变得复杂。本文提出一种固定电压输入、宽电压输出的LLC设计方案，实现2倍以上的增益变化。总体方案成本低，控制策略简洁可靠。

1 系统工作特性分析

基于优化系统架构，简化控制策略的考虑，系统采用模拟PFC +宽电压输出LLC，其中PFC输出恒定的母线电压，可采用经典的整流桥+boost电路实现固定电压输出，PFC的输出电压与LLC的输出无需协同控制[3]。宽电压输出由LLC通过调频实现2倍以上的增益变化来实现。

1.1 LLC宽电压输出的增益特性分析

以全桥LLC为例，电路架构如图1所示。

图1 全桥LLC拓扑架构

将负载电阻折算至原边，可以写出图1的传递函数：

因此，得到基于基波分析法的电路直流增益为：

当k值固定时，即励磁电感与谐振电感的比例关系确定时，直流增益与归一化频率的关系如图2a所示，可以看到，最高增益随着Q减小而增加，而且最高增益处的频点始终小于或等于谐振频率；而在大于谐振频率部分的增益，都是随着Q值的增加而减小，当Q值越大，增益随频率增加，衰减就越显著。

图2 LLC频率增益特性曲线

这表明，在一个固有谐振腔下，当考虑其最高增益时，只需要确保在满载条件下的增益曲线仍满足最大增益需求，就能确保变换器在任何负载条件下均可满足最高电压输出需求；同样的，针对最低输出电压点，需要谐振腔在空载条件下仍然能满足最低输出电压。所以，只需要考虑上述两个极限工作点可以满足全电压范围的输出能力需求。

当Q值固定时，即负载条件不变的情况下，增益曲线随k值变化关系如图2b所示。曲线的变化趋势表明，当谐振电感相对励磁电感越大时，增益曲线越陡峭，增益最大值也越大。

图2表明，在开关频率，负载情况确定的条件下，可以通过选取合适的k值，找到合适增益曲线，以满足实际增益要求，理论上，在仅考虑增益时，LLC可以做到相当大的增益范围。而实际上，k值的选取，通常会受到一定的限制。由于谐振电感与变压器原边直接串联，它们将流过完全相同的电流，由于谐振电感仅用于调节电流波形，并不参与向副边传递能量，所以，谐振电感会成为一个“额外的”效率损失。铁氧体的磁心损耗可以用按如下公式评估：

式中，η表示损耗系数；a、b分别为大于1的频率和电感损耗指数。

当谐振电感占励磁电感比例越大时，谐振电感的磁心损耗占系统总的磁心损耗比例将会增加，因此，电感比例系数的选取，应该在可满足增益要求的前提下，尽量大。一般情况下，选取比例系数k＞ 2.5。

1.2 极限工作电压点的工作模态分析

首先分析在直流增益大于1时，此时，变换器开关频率小于谐振频率，电流的工作波形如图3a所示，可以看到，在一个完整的工作周期内，仅在阴影部分所示波形的持续时间内，能量从原边传递到副边。随着开关频率的下降，励磁电流摆幅增加，阴影部分在周期内的时间占比逐渐减小，而在输出功率保持不变的条件下，原边谐振电流峰值必然进一步增大。所以，相对谐振点，随着工作频率的下降，变压器和谐振电压的磁心损耗逐渐增加。变压器工作在最恶劣工作点。

图3 极限工作点波形分析

当直流增益小于1时，开关频率大于谐振频率，电流工作波形如图3b所示，可见，在整个开关周期内，原边都在向副边传递能量。对比谐振工作点，当需求输出电流有效值不变时，即当频率逐渐升高时，阴影部分的有效值需要保持不变，则必然伴随着谐振电流尖峰的显著增加，磁心损耗加剧。在恒流工作情况下，最低增益工作点，通常谐振电感磁心损耗最高，承受最大热应力。

2 系统参数设计

2.1 整机设计指标

整机设计指标如表1所示。

表1 整机设计指标参数

2.2 LLC关键参数设计

选择120kHz作为谐振频率，DC 320V输出作为谐振点输出电压。依据增益关系为：

结合：

1）高工作电压点的负载状况Req；

2）谐振频率对Lr与Cr的限制；

3）电感比例系数k的选取原则与限制。

依据公式得到初定最高增益，通过反复迭代步骤2～3，可以获得满足最大增益要求的Q值，并且在该Q值下，可以获得最大的电感比例系数k。显然，也获得了在该Q值与k值下的谐振腔参数。

经过以上计算，得到谐振腔参数，如表2所示。

表2 谐振腔参数

3 系统实验结果分析

3.1 LLC极限工作点实验结果与分析

实验样机关键物料选型如表3所示。

表3 实验样机关键物料选型

实验条件：常温条件下，接入可编程交流，设定AC 220V输出。

图4为最高电压工作点下，驱动VS开关管DS VS谐振电流波形，可以观测到开通时ZVS的实现；在最高直流增益处的工作波形，标记部分的时间里，原边能量没有向副边传递；在最低直流增益处的工作波形，此时，运行在半载降额工作区。

图4 最高输出电压点工作波形

3.2 整机关键指标测试结果

如表4所示，分别为DC 220V输出，DC 320V输出和DC 470V输出时，测得的关键技术指标。可以看出，本设计在全工作范围内始终保持高效的工作状态。其中290V以下低压输出时，工作在12A恒流工作区。

表4 关键技术指标测试结果

4 结束语

本文采用模拟方案的固定电压输出PFC，配合后级宽电压输出LLC实现了2倍以上的增益变化需求。在整个输出电压范围内，AC-DC变换器始终保持着较高的效率。可见，在满足合适电感比例系数条件下，LLC仍然可以被设计为极宽的输出电压，并且在全工作电压范围内，都可以保持较高的效率。

本方案使得LLC原本工作范围较窄的缺点得到了显著的改善，对于宽电压的LLC设计有较好的指导意义。