变流器

谐振变流器

随着电力电子技术的不断发展和完善，我国开关电源已经得到了本质上的转变，开始由传统电源模式转变为高功率因数和高效率开关，不仅能够消除谐波带来的污染，还能够减少能源浪费，全面推动了开关电池的发展进程。

本次研究过程中主要从交错并联LLC谐振变流器出发，分析其软开关特性对电源系统的影响，在国内外文献资料基础上深入分析交错并联LLC谐振变流器的作用和特征，明确该软开关电路的基本组成和工作原理。结合所学内容，在电流波纹、电压波纹限制条件下设计了一种交错并联LLC谐振变流器的均流方案，通过计算输出电容、开关频率、Boost电感等，实现均流效果的全面调整。

运用仿真软件搭建了单相APFC模型，完成了包括驱动电路、采样电路等硬件设计和控制程序设计，按照计算所得参数对各级谐振回路进行设置，在不同控制条件下验证交错并联LLC谐振变流器的输出波形，分析其是否能够实现LLC交错并联与开关管零电压开通，以验证交错并联LLC谐振变流器的动态相应性能及滤波效果。研究结果显示，交错并联LLC谐振变流器能够有效减小波纹、降低噪声，其满载时功率因数可达0.97，整机效率超过0.8，实验设计具有非常显著的可靠性和有效性。

近年来我国已经加大了开关电源的重视力度，开始从软开关技术出发减少开关电源功率损耗，提升其控制的可靠性、有效性和经济性。软开关技术能够在“在开关管开通或关断之前，将电压或电流降低到零，从而降低开关损耗”，既能够满足稳定控制需求，又能够结合谐振电路消波减耗，已经成为新时期开关电源控制电路发展的核心趋势。

为此，技术人员开始借助PWM技术实现调压滤波，构建了以PWM控制拓扑为核心的开关控制电路。随着软开关技术研究的不断深入，技术人员发现调整谐振变换器控制模式能够从根本上提升功率密度，降低能源损耗。与此同时，这种闭环控制回路结构较为简单，控制可靠性良好。尤其是基于交错并联LLC谐振变流器的控制系统，能够实现超高负载下的二次侧均流，避免了传统谐振变换器控制过程中可能出现的电流波纹和电压波纹，拉开了软开关发展的新序幕。

交错并联LLC谐振变流器主要以在单周期控制为核心，依照小信号模型和频率特性曲线形成对应电路参数和补偿参数，在LLC交错技术全面提升其变换器等级和功率密度。在上述控制优化后，交错并联LLC谐振变流器能够通过简单电路结构减少输出电容的电流应力，在提升开关电源可靠性的基础上，延长了电源的使用寿命。该技术理论上可电流波纹减小一般拓扑的20%且将整机效率提升到0.8以上，远远超过一般开关电源控制回路功率因数，具有非常高的研究价值和意义。

20世纪70年代以来，国内外科学家开始对软开关技术进行研究，在开关电源软开关控制需求基础上研究不同控制回路。进入21世纪后，LLC谐振变换器逐渐被广泛应用，研究人员开始分析该变换器的工作特性，研究其在开关电源软控制中应用效果，并对LLC谐振变换器控制方式进行调整，理论框架逐步完善。

（1）开关电源的研究现状。开关电源理论研究起源于19世纪中后期。该时期电源控制主要通过硬开关实现，控制过程中很容易出现由工作频率过高引起的多次动作，造成开关噪声和能量损耗，见图1-1。

为了降低硬开关对系统能耗的影响，提升开关电源控制性能和效果，19世纪末相关人员调整了开关电源的控制拓扑，在电容、电感等基础元件上形成谐振回路。上述谐振原理能够将栅-源电压逐时段降低到0V，此时驱动开关管后，电路中不存在能量损耗，这是软开关控制的基本原理，见图1-2。（2）LLC谐振变换器研究现状。依照谐振变换器结构的不同，国内外研究人员将其划分为串联谐振变换器、并联谐振变换器、LCC谐振变换器和LLC谐振变换器四种。其中，串联分压模式电压增益＜1，在改变谐振元件阻抗调整电压大小时很容易出现频率波动造成的电压不稳，控制效果欠佳；并联均流模式原边电流较大，在运行过程中受原边阻抗影响，系统功能损耗上升，经济性欠佳；LCC在串联分压和并联均流基础上进行调整（见图1-3），在保持原边电流不变的基础上适当提升电压增益，但运行中当输入电压差较大时，开关损耗非常严重，系统可靠性欠佳。

LLC谐振变换器对控制线路进行进一步优化和调整（见图1-4），在宽电压范围上保证了零电压开通，并通过并联电感滤波减漏。该谐振变换器虽然在一定程度上解决了软开关能量损耗，保证了工作频率和电流波形的稳定性，但实际设计过程中控制环路较为复杂，设计难度较高，适用性较差，仍需进一步拓展和完善。

（3）LLC交错并联技术研究现状。交错并联主要是在多模块并联方式下实现同开关频率、异开关时间运行（见图1-5）。在交错并联过程中谐振变流器的启停存在明显的时间差（π/N），该相位差能够有效降低系统中的电流波纹，减少系统能耗损失，已经开始在LLC谐振变流器中广泛应用。

在上述研究过程中国内外人员先后提出了带有PFC的交错并联LLC谐振变流器、两路并联的LLC谐振变流器、输入并联与输入串联的LLC谐振变流器，不断提升其交错并联性能，降低控制系统成本，为我国软开关控制系统研究奠定了坚实的理论基础。

本次研究过程中主要从我国LLC谐振变换器市场环境和国内外研究现状出发，明确其研究价值、作用和意义。

结合并联交错技术，分析交错并联LLC谐振变流器的基本构成和工作原理，确定单周期控制的Boost APFC电路控制下，LLC谐振变流器后级控制中的难重点，对电流波纹、电压波纹、输出电容、开关频率、Boost电感及输入滤波器等关键部分进行把握，形成合理的LLC小信号模型。

运用仿真软件，对本次设计的交错并联LLC谐振变流器工作性能进行验证，从而证明本次参数设计的有效性、合理性和科学性，具体如下图所示。

与传统谐振变流器相比，交错并联LLC谐振变流器能够通过调节空载时的电压有效降低其能量损耗，从根本上改善了线路的经济性、安全性和可靠性。但该线路设计难度较大，需结合交错并联LLC谐振变流器工作原理实施对应参数调整，以达到变流调控效益的最大化。

LLC谐振变流电路结构较为复杂，包括整流电路和主电路两大部分，其中：

（1）整流电路设计时可结合具体状况选择半波整流、全波整流、全桥整流或倍压整流。从整体角度而言，半波整流电路电压波动较大，能耗控制效果欠佳；全波整流能够实现高电流低电压输出，增加的二极管电压应力可达到2倍输出电压；全桥整流能够实现低电流高电压输出，增加的二极管电压应力与输出电压保持一致；倍压整流能够实现高压输出，通过调整线路使输出电压增加到原来的2倍。在设计过程中可以针对具体的整流需求对上述四种整流结构进行相应选取，以达到对应高流低压、高压低流等输出效果。

（2）主电路设计时应根据功率状况适当选择全桥拓扑结构和半桥拓扑结构。交错并联LLC谐振变流主电路主要通过励磁电感、谐振电感/电容等调节功率因数，实现谐振控制，其中全桥LLC谐振变流主电路往往适用于大功率等级，半桥LLC谐振变流主电路往往适用于小功率等级，其具体结构见图2-1和图2-2。

本次设计过程中按照LLC谐振变流主电路对应情况，选择全桥拓扑结构，在该基础上分析不同功率等级的谐振控制情况，提升了实验结果的准确性和有效性。而整流过程中为满足低电压高电流输出效果，最大限提升交错并联LLC谐振变流电路的功率因数，在设计时应选用全波整流电路。此时，全桥拓扑结构中的谐振电感、谐振电容、励磁电感元件形成了两个不同的工作频率：

（1）整流侧有电流时只有谐振电感和谐振电容作用，励磁电感被输出电压钳位，则

其中，fr为第1谐振频率，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容。

（2）整流侧无电流时谐振电感、励磁电感和谐振电容同时作用，则

其中，fm为第2谐振频率，Lm为励磁电感。

除此之外，在上述全桥LLC谐振变流电路中通过控制开关频率fs可以调整能量输出，使系统达到恒定状态，这是主电路控制中的重要原理。

由此，这三个频率决定了全桥LLC谐振变流电路的工作状态，即fs＞fr，fs=fr，fm＜fs＜fr。根据运