詳解LLC變換器的寬范圍應(yīng)用

今天就主要想談一下自己對(duì)于LLC變換器寬范圍應(yīng)用的一些簡單認(rèn)識(shí)，希望通過這篇文章大家可以清楚為什么需要寬范圍應(yīng)用？寬范圍應(yīng)用時(shí)存在什么樣的問題？解決寬范圍應(yīng)用都有什么樣的思路？由于篇幅和時(shí)間原因，可能主要針對(duì)其中一類比較典型的方案進(jìn)行具體的講解，對(duì)于其它類型可能在之后會(huì)去具體分析。

（一）為什么需要寬范圍應(yīng)用？

首先就是為什么需要寬范圍應(yīng)用。寬范圍是指寬輸入或者寬輸出電壓范圍， 不同的應(yīng)用場合對(duì)于變換器輸入電壓和輸出電壓的范圍都有一定的要求。這里我可以簡單列舉幾種比較典型的應(yīng)用場合輸入或者輸出電壓的要求。

1、數(shù)據(jù)中心電源

對(duì)于應(yīng)用數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器電源來說，總是希望它能夠在全范圍的交流輸入電壓范圍內(nèi)（90 V-264 V）均可以工作。通常來說，數(shù)據(jù)中心電源會(huì)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，即前級(jí)的Boost PFC加上后級(jí)的LLC DC/DC，前級(jí)PFC的輸出電壓即后級(jí)LLC的輸入電壓穩(wěn)定在400 V左右。但是當(dāng)交流斷電的時(shí)候，即交流電壓下降，這個(gè)時(shí)候我們?nèi)匀幌Ｍ?a target="_blank">電源模塊可以保證一定時(shí)間的正常工作（20毫秒左右）以便于儲(chǔ)存重要數(shù)據(jù)。那么這個(gè)時(shí)候LLC的輸入電壓變化范圍就會(huì)變寬（200V-400 V左右）如圖1所示。那么在這個(gè)應(yīng)用場合下，LLC變換器便需要工作在寬輸入電壓范圍下以滿足hold-up的要求。值得一提的是，這種應(yīng)用場合下由于時(shí)間工作比較短，可以犧牲hold-up期間變換器的效率。

圖一、Hold-up要求下輸入電壓示意圖 【1】

2、車載充電機(jī)

車載充電機(jī)（on-board battery charger）也是寬范圍的一種典型應(yīng)用。對(duì)于鋰電池來說，單個(gè)鋰電池的電壓范圍為2.5 V-4.2 V，那么一百個(gè)鋰電池單元組成的電池包的電壓范圍便是250 V-420 V如圖2所示。那么，對(duì)于OBC來說，則要求變換器能夠在寬輸出電壓范圍內(nèi)高效運(yùn)行。

圖二、車載充電機(jī)輸出電壓范圍【2】

3、新能源

對(duì)于新能源如光伏，它的電壓波動(dòng)范圍較大，因此對(duì)于它所連接的DC/DC變換器具有寬輸入電壓范圍的要求。圖三是一款商用的光伏逆變器的技術(shù)指標(biāo)，可以看出來它要求輸入電壓的變化范圍為18 V-58 V，也就是電壓增益達(dá)到三倍以上，因此，光伏以及燃料電池等新能源應(yīng)用可以看做是寬輸入電壓范圍的一種應(yīng)用。

圖三、商用光伏逆變器指標(biāo)【3】

通過以上三種典型的寬范圍應(yīng)用，我們可以看出在某些應(yīng)用場合下，寬范圍是必不可少的，所以對(duì)于寬范圍應(yīng)用LLC變換器的研究也有著重要的意義。接下來，我們繼續(xù)探討傳統(tǒng)LLC變換器在寬范圍下存在的一些問題。

（二）寬范圍應(yīng)用存在的問題？

眾所周知，對(duì)于LLC諧振變換器來說，它的最大效率工作點(diǎn)在諧振點(diǎn)附近，即當(dāng)開關(guān)頻率接近于諧振頻率時(shí)。但是當(dāng)LLC變換器應(yīng)用在寬范圍場合下時(shí)，它的工作點(diǎn)就會(huì)發(fā)生較大偏移，從而導(dǎo)致效率下降。與此同時(shí)，為了能夠讓變換器滿足最大增益的要求，我們必須選取較小的勵(lì)磁電感，雖然較小的勵(lì)磁電感可以提高變換器的增益（如圖四所示），但是它同時(shí)也增加了電路里電流的大小，從而增加變換器的導(dǎo)通損耗。除此之外，寬范圍應(yīng)用時(shí)，變換器需要在較寬的開關(guān)頻率范圍下滿足增益要求，寬范圍頻率工作對(duì)于磁性元器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的挑戰(zhàn)性，而且變換器的EMI性能也會(huì)下降。

圖四、勵(lì)磁電感對(duì)電壓增益的影響【4】

（三）如何解決寬范圍存在的問題？

通過上一部分的分析，我們可以得到要想解決寬范圍的問題，那么本質(zhì)上我們就是要解決它的頻率變化范圍寬的問題，想辦法減小它的頻率變化范圍，讓它工作在諧振工作點(diǎn)附近，還有就是能夠在選取較大勵(lì)磁電感的同時(shí)滿足變換器增益要求。根據(jù)已有的文獻(xiàn)，我們可以做它的解決思路進(jìn)行分類，如圖五所示。

圖五、寬范圍LLC解決思路

1）基于時(shí)域的分析設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的基波分析法在對(duì)LLC變換器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)存在較大的誤差。圖六所示便是通過基波分析法得到的電壓增益曲線和通過時(shí)域分析法得到的曲線的對(duì)比?？梢钥闯鰜恚?dāng)采用頻域分析方法時(shí)，變換器的電壓增益小于實(shí)際變換器的增益。所以，如果采用頻域的設(shè)計(jì)方法，它將是一種保守的設(shè)計(jì)方法，變換器的增益并沒有充分利用。如果我們可以采用精確的時(shí)域分析方法，那么我們便可以充分利用變換器的增益能力，從而在同等條件下拓寬它所使用的的范圍。總的來說，基于時(shí)域的分析設(shè)計(jì)方法可以拓寬變換器的增益范圍，但是它的拓寬能力有限。

圖六、頻域和時(shí)域分析方法的對(duì)比【5】

2）基于傳統(tǒng)LLC變換器的多模態(tài)工作

在所有寬范圍LLC的應(yīng)用中，我自己最推薦的就是這一類，因?yàn)樗恍枰黾尤魏蔚脑骷瑑H僅基于傳統(tǒng)的LLC變換器并在開關(guān)時(shí)序上稍作調(diào)整便可以實(shí)現(xiàn)在較寬的范圍內(nèi)工作。這里我們可以簡單以全橋LLC變換器為例，簡單介紹下它的原理。圖七所示為全橋變換器拓?fù)洌?dāng)它工作在全橋模式下時(shí)，它的開關(guān)管工作時(shí)序如圖八所示。當(dāng)我們將開關(guān)管的時(shí)序變成圖九所示時(shí)，LLC變換器便工作在半橋模式。相較于全橋工作模式，半橋模式下的增益可以減小一半。

圖七、全橋LLC變換器拓?fù)?/p>

圖八、全橋工作模式下的開關(guān)時(shí)序圖

圖九、半橋工作模式下的開關(guān)時(shí)序圖

圖十便是它在寬輸入電壓范圍下的應(yīng)用，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，需要較高的電壓增益，那么便可以控制變換器工作在全橋模式下（紅色曲線所示）。隨著輸入電壓增加，變壓器需要增益減小，那么我們便可以控制變換器工作在半橋模式下（藍(lán)色曲線），這樣LLC變換器便可以工作在很寬的范圍（100 V-400 V）。但是這類方法存在的問題便是模態(tài)切換，當(dāng)變換器從一個(gè)模態(tài)切換到另外一種模態(tài)時(shí)，由于兩種模態(tài)下開關(guān)頻率差距很大，會(huì)使電路電壓和電流產(chǎn)生較大的波動(dòng)（如圖十一所示），從而影響性能。因此，需要一種軟切換的方法來解決動(dòng)態(tài)切換問題。

圖十、兩種工作模式的全橋LLC變換器【6】

圖十一、模態(tài)切換時(shí)存在的問題【6】

除了全橋LLC變換器，堆疊式的LLC變換器也可以實(shí)現(xiàn)兩種工作模式運(yùn)行，這里就不做介紹了。總的來說這種方法即可以拓寬變換器的電壓增益范圍，又不增加元器件、成本和體積。

3）基于改進(jìn)的LLC變換器的多模態(tài)工作

在上一種方法的基礎(chǔ)上，有些文獻(xiàn)又引入了新的元器件來繼續(xù)提高變換器性能。圖十二便是其中一種，通過引入雙向開關(guān)管和兩個(gè)變壓器，當(dāng)雙向開關(guān)管閉合時(shí)，變壓器T2被短路點(diǎn)，此時(shí)電路的勵(lì)磁電感為Lm1；當(dāng)雙向開關(guān)管斷開時(shí)，變壓器T1和T2串聯(lián)連接，此時(shí)的等效勵(lì)磁電感便是（Lm1+Lm2）?？梢钥闯龀送ㄟ^改變?nèi)珮虻墓ぷ髂B(tài)以外，變壓器的勵(lì)磁電感也可以改變，從而可以進(jìn)一步提高變換器性能。但是這類方法引入了較多的元器件，增加了體積和成本。

圖十二、基于改進(jìn)LLC變換器的拓?fù)洹?】

4）變變壓器匝比

變壓器的好處在于它能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓，如果變壓器的匝比可變，那么變換器的增益范圍就會(huì)拓寬。圖十三所示便是采用變變壓器匝比的LLC拓?fù)??？梢钥闯?，變壓器副邊存在多個(gè)繞組以及開關(guān)管。顯然，當(dāng)S5和S6都導(dǎo)通時(shí)變壓器匝比為（n2+n3）/n1；當(dāng)僅有S5導(dǎo)通時(shí)，變壓器匝比為n2/n1,；當(dāng)僅有S6導(dǎo)通時(shí)，變壓器匝比為n3/n1。因此，通過合理設(shè)計(jì)變壓器原副邊匝數(shù)，可以改變變壓器的匝比從而拓寬變換器增益。

圖十三、可調(diào)變壓器匝比拓?fù)洹?】

5）多電平LLC變換器

LLC變換器的原邊就是一個(gè)逆變器，如果我們引入多電平逆變器結(jié)構(gòu)，那么LLC變換器便可以在較寬范圍內(nèi)工作，而且可以采用PWM控制技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)定頻工作。圖十四所示便是基于NPC的三電平LLC變換器的拓?fù)?，它的典型工作波形如圖十五所示。多電平LLC變換器存在的問題和多電平逆變器一樣，就是如何保證電容電壓均衡。

圖十四、基于NPC的三電平LLC拓?fù)洹?】

圖十五、典型工作波形【9】

6）基于副邊整流單元的多模態(tài)工作

除了基于原邊的多模態(tài)工作以外，還有基于副邊整流的多模態(tài)工作。圖十六便是一種存在兩種模態(tài)的副邊整流單元，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，該單元為全橋整流單元；當(dāng)開關(guān)管閉合時(shí)，該單元為被壓整流單元。這樣通過控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷，便可以調(diào)節(jié)變換器的增益。除了簡單的被壓整流外，還有各種多倍的整流單元從而進(jìn)一步拓寬增益范圍。

圖十六、基于副邊多模態(tài)的拓?fù)洹?0】

7）混合式

混合式就比較好理解了，當(dāng)我們把之前的技術(shù)通過任意組合的方式結(jié)合在一起，便可以得到混合式的寬范圍LLC拓?fù)?，但是由于拓?fù)涞膹?fù)雜性，在實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值較低，系統(tǒng)的拓?fù)湟约翱刂茝?fù)雜度都很高。圖十七所示便是一種典型的混合方式。首先Q1的引入使得原邊逆變器既可以工作在全橋模式又可以工作在對(duì)稱半橋模式。然后副邊開關(guān)管S5以及副邊多繞組的引入又可以使得變換器能夠調(diào)節(jié)變壓器等效匝比，從而進(jìn)一步拓寬電壓范圍。

圖十七、混合式寬范圍LLC拓?fù)洹?1】

講到這里，基本上就把我想講的關(guān)于寬范圍LLC的應(yīng)用講完了。希望大家看完之后能夠清楚這三個(gè)問題：1、為什么需要寬范圍？2、寬范圍存在什么問題？3、寬范圍有什么解決思路？其次呢，我覺得通過這篇文章的分析，大家也應(yīng)該清晰為什么會(huì)有這些寬范圍的LLC拓?fù)?，它們的?gòu)建思路是什么，甚至大家也可以很簡單的搭建屬于自己的寬范圍LLC的拓?fù)?，比如通過我們所描述的組合式，大家可以通過分析，然后結(jié)合所述的寬范圍技術(shù)，產(chǎn)生一個(gè)全新的拓?fù)?，然后具有更好的性能。后面如果有時(shí)間可以主要講一講我最推薦的基于傳統(tǒng)LLC變換器模態(tài)切換的具體細(xì)節(jié)，它的問題以及如何解決這個(gè)問題。