文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174543
中文引用格式： 林玉婷，曹太強，陳雨楓. LLC諧振變換器在兩級充電機的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(9)：162-166.
英文引用格式： Lin Yuting，Cao Taiqiang，Chen Yufeng. The research and application of LLC resonant converter in two-stage charger[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：162-166.
0 引言
車載充電機拓撲通常由前級PFC和后級DC-DC組成[1-3]，以實現(xiàn)高功率因數(shù)、低諧波的蓄電池充電[4-5]。隨著充電機功率密度要求的提高，單級Boost PFC電路很難滿足需求。本文采用兩級交錯并聯(lián)Boost PFC作為充電機的前級，提高變換器功率密度、充電效率的同時，還降低了輸入電流諧波及開關(guān)損耗[6-8]。
本文分析了兩級交錯并聯(lián)Boost PFC電路平均電流控制原理和后級半橋LLC諧振變換器電路脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation，PFM)下的工作原理，并采用FHA分析法[9]建立了LLC諧振電路的穩(wěn)態(tài)模型，研究了諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓增益及輸入阻抗與開關(guān)頻率的關(guān)系，為不同工作模式下LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。
1 兩級交錯并聯(lián)Boost PFC變換器
兩級交錯并聯(lián)Boost PFC變換器拓撲如圖1所示，由兩個參數(shù)相同的Boost PFC變換器單元并聯(lián)而成，電路中兩個功率開關(guān)管的PWM驅(qū)動信號相位相差180°[10]。
圖2所示，兩級交錯并聯(lián)Boost PFC變換器與單級拓撲相比，輸入電流紋波在整個占空比范圍內(nèi)均得到改善。當(dāng)占空比為50％時，紋波電流接近零。
2 半橋LLC諧振變換器
半橋LLC諧振變換器拓撲如圖3所示。其采用PFM控制模式，即開關(guān)以互補導(dǎo)通的方式控制，通過改變開關(guān)頻率調(diào)節(jié)輸出電壓和電流。
2.1 半橋LLC諧振變換器工作原理
串聯(lián)諧振回路中包括Lr、Lm、Cr 3個諧振元件，構(gòu)成了兩個不同的諧振頻率。當(dāng)整流側(cè)有電流流過時，變壓器的勵磁電感Lm被輸出電壓鉗位不參加諧振，諧振頻率只由Lr和Cr決定，故為：
根據(jù)變壓器輸入電壓和負載的不同，工作分為模式I(fm<f<fr)，II(f=fr)和III(f>fr)，模式II和III包含在I中，所以本文僅對模式I作介紹，模式I波形如圖4所示。
3種模式下變換器原邊開關(guān)管都能實現(xiàn)ZVS。模式I和II能實現(xiàn)副邊二極管的ZCS，但模式III副邊二極管有反向恢復(fù)損耗，所以應(yīng)盡量使其工作在fr附近。
2.2 基于FHA穩(wěn)態(tài)建模與分析
不同于傳統(tǒng)的PWM變換器利用平均值傳輸能量，LLC諧振變換器利用電壓電流基波分量傳輸能量，不考慮其他諧波，本文采用FHA[9]對半橋 LLC進行建模，如圖5所示。
諧振電路兩端口模型可以由其傳遞函數(shù)H(s)表示：
為了方便分析，用以下參數(shù)定義：
如圖6(a)所示，當(dāng)fn=1時，增益曲線上出現(xiàn)一獨立負荷點，該點時直流增益不受Q與k的影響恒為1，輸出特性最佳。當(dāng)f<1時，Q越大直流增益越小，存在一個極大值點，該點隨著Q的增加逐漸右移，直到與f=1重合。
圖6(b)為電壓增益對fn的不同k值曲線，由圖知諧振頻率fr(fn=1)處呈現(xiàn)與負載無關(guān)的工作點，峰值點k值越大，峰值電壓增益越大，開關(guān)頻率上的電壓增益更敏感，使控制和調(diào)節(jié)更容易；但k值不能太大，否則勵磁電感過小，會造成過大的導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。
由圖5所示的統(tǒng)一FHA模型可得到諧振網(wǎng)絡(luò)歸一化輸入阻抗表達式：
由式(7)可得歸一化輸入阻抗幅值表達式：
當(dāng)fn>fn.cross時，|Zn(fn，K，Q)|隨著Q的減小而減小，特征阻抗的減小使得輸出電流變?。划?dāng)fn<fn.cross時，|Zn(fn，K，Q)|隨著Q的減小而增大，特征阻抗的減小使得輸出電流變小。因此，諧振變換器的工作頻率要盡量高于fn.cross。此外，當(dāng)諧振頻率fn工作在（fn.cross，1）區(qū)間時才是諧振變換器的理想工作頻率范圍。因此需要找到（fn.cross，1）范圍內(nèi)感性和容性區(qū)域的分界線。
設(shè)Zn(fn，K，Q)的虛部為零，可得到LLC諧振變換器的容性和感性區(qū)域的分界線。分析結(jié)果如下：
由式（13）可以描繪出Mmax(λ，Q)的軌跡，就可得到感性和容性區(qū)域的分界線，如圖8所示。
如圖8所示每個給定的Q值，增益曲線的峰值都落在容性區(qū)域。虛線為輸入阻抗的分界線，當(dāng)工作于容性區(qū)時開關(guān)管可實現(xiàn)ZCS，而工作于感性區(qū)時可實現(xiàn)ZVS。
此外，通過式（13）可以求解fn，從而得到允許最大增益落在分界線上的最小歸一化頻率fn.min：
此外，把式(14)代入式(11)，可得允許最大增益落在分界線上的最大品質(zhì)因數(shù)：
由式(14)、式(16)可確定諧振變換器的頻率區(qū)間。
3 實驗結(jié)果分析
為了驗證理論分析的正確性，根據(jù)上文的分析和仿真設(shè)計了一臺1.5 kW實驗樣機。實驗結(jié)果如下。
圖9表明輸入側(cè)實現(xiàn)單位功率因數(shù)且THD值低于4%；次級LLC諧振變換器的工作頻率約為96 kHz，接近諧振頻率；純阻性負載時輸出電流紋波為1.8 A。圖10為充電機輸出效率曲線，最高輸出效率可達94%。
4 結(jié)論
本文設(shè)計了一款交錯并聯(lián)Boost PFC電路作為前級，半橋LLC諧振電路作為后級的兩級式拓撲結(jié)構(gòu)的車載充電機。試驗結(jié)果表明：在175~265 V的交流電壓輸入范圍內(nèi)充電機能夠保持高效穩(wěn)定地工作，整機運行功率因數(shù)可達至0.99，輸入電流諧波含量能夠控制在4%以下。額定負載時，后級LLC諧振變換器的開關(guān)頻率可控制在諧振頻率附近，實現(xiàn)了軟開關(guān)，確保功率開關(guān)管工作在ZVS狀態(tài)，降低了開關(guān)管損耗和溫升，輸出整流二極管能實現(xiàn)ZCS，降低了反向恢復(fù)損耗。在阻性、容性負載條件下均具有較高的效率，最高可達94%。
參考文獻
[1] WANG H,DUSMEZ S，KHALIGH A.Design and analysis of a full-bridge LLC-based PEV charger optimized for wide battery voltage range[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2014，63(4)：1603-1613.
[2] HAGHBIN S，LUNDMARK S，ALAKULA M，et al.An isolated high-power integrated charger in electrified-vehicle applications[J].IEEE Trans.Veh.Technol，2011，60(9)：4115-4126.
[3] WANG H，DUSMEZ S，KHALIGH A.Design for a level-2 on-board PEV charger based on interleaved boost PFC and LLC resonant converters[C].2013 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo(ITEC)，2013：1-8.
[4] 周馳.基于LLC諧振電路帶APFC的兩級變換器的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2015.
[5] 閆大鵬.1.5 kW半橋LLC諧振DC/DC變換器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.
[6] MUSAVI F，CRACIUN M，GAUTAM D S，et al.An LLC resonant DC-DC converter for wide output voltage range battery charging applications[J].IEEE Trans.Power Electron，2013，28(12)：5437-5445.
[7] GAUTAM D S，MUSAVI F，EDINGTON M，et al.An automotive onboard 3.3 kW battery charger for PHEV application[J].IEEE Trans on Veh Technol，2012，61(8)：3466-3474.
[8] KHALIGH A，DUSMEZ S.Comprehensive topological analysis of conductive and inductive charging solutions for plug-in electric vehicles[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2012，61(8)：3475-3489.
[9] DESIMONE S，ADRAGNA C，SPINI C，et al.Design-oriented state analysis of LLC resonant converters based on FHA[C].IEEE power Electronics，Electrocal Drives，Automation and Motion，2006：200-207.
[10] HU S，DENG J，MI C，et al.Optimal design of line level control resonant converters in plug-in hybrid electric vehicle battery chargers[J].IET Electrical Systems in Transportation，2014，4(1)：21-28.
作者信息:
林玉婷，曹太強，陳雨楓
(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039)