詳解LLC變換器的寬范圍應用

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

（一）為什么需要寬范圍應用？

首先就是為什么需要寬范圍應用。寬范圍是指寬輸入或者寬輸出電壓范圍， 不同的應用場合對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用場合輸入或者輸出電壓的要求。

1、數(shù)據(jù)中心電源

對于應用數(shù)據(jù)中心的服務器電源來說，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)中心電源會采用兩級結構，即前級的Boost PFC加上后級的LLC DC/DC，前級PFC的輸出電壓即后級LLC的輸入電壓穩(wěn)定在400 V左右。但是當交流斷電的時候，即交流電壓下降，這個時候我們?nèi)匀幌Ｍ?a target="_blank">電源模塊可以保證一定時間的正常工作（20毫秒左右）以便于儲存重要數(shù)據(jù)。那么這個時候LLC的輸入電壓變化范圍就會變寬（200V-400 V左右）如圖1所示。那么在這個應用場合下，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，這種應用場合下由于時間工作比較短，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

車載充電機（on-board battery charger）也是寬范圍的一種典型應用。對于鋰電池來說，單個鋰電池的電壓范圍為2.5 V-4.2 V，那么一百個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)高效運行。

圖二、車載充電機輸出電壓范圍【2】

3、新能源

對于新能源如光伏，它的電壓波動范圍較大，因此對于它所連接的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指標，可以看出來它要求輸入電壓的變化范圍為18 V-58 V，也就是電壓增益達到三倍以上，因此，光伏以及燃料電池等新能源應用可以看做是寬輸入電壓范圍的一種應用。

圖三、商用光伏逆變器指標【3】

通過以上三種典型的寬范圍應用，我們可以看出在某些應用場合下，寬范圍是必不可少的，所以對于寬范圍應用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）寬范圍應用存在的問題？

眾所周知，對于LLC諧振變換器來說，它的最大效率工作點在諧振點附近，即當開關頻率接近于諧振頻率時。但是當LLC變換器應用在寬范圍場合下時，它的工作點就會發(fā)生較大偏移，從而導致效率下降。與此同時，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磁電感，雖然較小的勵磁電感可以提高變換器的增益（如圖四所示），但是它同時也增加了電路里電流的大小，從而增加變換器的導通損耗。除此之外，寬范圍應用時，變換器需要在較寬的開關頻率范圍下滿足增益要求，寬范圍頻率工作對于磁性元器件的設計和優(yōu)化具有一定的挑戰(zhàn)性，而且變換器的EMI性能也會下降。

圖四、勵磁電感對電壓增益的影響【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附近，還有就是能夠在選取較大勵磁電感的同時滿足變換器增益要求。根據(jù)已有的文獻，我們可以做它的解決思路進行分類，如圖五所示。

圖五、寬范圍LLC解決思路

1）基于時域的分析設計

傳統(tǒng)的基波分析法在對LLC變換器進行分析設計時存在較大的誤差。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域分析法得到的曲線的對比?？梢钥闯鰜?，當采用頻域分析方法時，變換器的電壓增益小于實際變換器的增益。所以，如果采用頻域的設計方法，它將是一種保守的設計方法，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?？偟膩碚f，基于時域的分析設計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、頻域和時域分析方法的對比【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的應用中，我自己最推薦的就是這一類，因為它不需要增加任何的元器件，僅僅基于傳統(tǒng)的LLC變換器并在開關時序上稍作調(diào)整便可以實現(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撲，當它工作在全橋模式下時，它的開關管工作時序如圖八所示。當我們將開關管的時序變成圖九所示時，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變換器拓撲

圖八、全橋工作模式下的開關時序圖

圖九、半橋工作模式下的開關時序圖

圖十便是它在寬輸入電壓范圍下的應用，當輸入電壓較低時，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，當變換器從一個模態(tài)切換到另外一種模態(tài)時，由于兩種模態(tài)下開關頻率差距很大，會使電路電壓和電流產(chǎn)生較大的波動（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變換器也可以實現(xiàn)兩種工作模式運行，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）基于改進的LLC變換器的多模態(tài)工作

在上一種方法的基礎上，有些文獻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，通過引入雙向開關管和兩個變壓器，當雙向開關管閉合時，變壓器T2被短路點，此時電路的勵磁電感為Lm1；當雙向開關管斷開時，變壓器T1和T2串聯(lián)連接，此時的等效勵磁電感便是（Lm1+Lm2）?？梢钥闯龀送ㄟ^改變?nèi)珮虻墓ぷ髂B(tài)以外，變壓器的勵磁電感也可以改變，從而可以進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LLC變換器的拓撲【7】

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拓寬。圖十三所示便是采用變變壓器匝比的LLC拓撲?？梢钥闯?，變壓器副邊存在多個繞組以及開關管。顯然，當S5和S6都導通時變壓器匝比為（n2+n3）/n1；當僅有S5導通時，變壓器匝比為n2/n1,；當僅有S6導通時，變壓器匝比為n3/n1。因此，通過合理設計變壓器原副邊匝數(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)變壓器匝比拓撲【8】

5）多電平LLC變換器

LLC變換器的原邊就是一個逆變器，如果我們引入多電平逆變器結構，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控制技術從而實現(xiàn)定頻工作。圖十四所示便是基于NPC的三電平LLC變換器的拓撲，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拓撲【9】

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，當開關管關斷時，該單元為全橋整流單元；當開關管閉合時，該單元為被壓整流單元。這樣通過控制開關管的開通和關斷，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一步拓寬增益范圍。

圖十六、基于副邊多模態(tài)的拓撲【10】

7）混合式

混合式就比較好理解了，當我們把之前的技術通過任意組合的方式結合在一起，便可以得到混合式的寬范圍LLC拓撲，但是由于拓撲的復雜性，在實際中的應用價值較低，系統(tǒng)的拓撲以及控制復雜度都很高。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稱半橋模式。然后副邊開關管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，從而進一步拓寬電壓范圍。

圖十七、混合式寬范圍LLC拓撲【11】

講到這里，基本上就把我想講的關于寬范圍LLC的應用講完了。希望大家看完之后能夠清楚這三個問題：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，大家也應該清晰為什么會有這些寬范圍的LLC拓撲，它們的構建思路是什么，甚至大家也可以很簡單的搭建屬于自己的寬范圍LLC的拓撲，比如通過我們所描述的組合式，大家可以通過分析，然后結合所述的寬范圍技術，產(chǎn)生一個全新的拓撲，然后具有更好的性能。后面如果有時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)切換的具體細節(jié)，它的問題以及如何解決這個問題。