宽范围输入全桥LLC谐振变换器研究

宽范围输入全桥LLC谐振变换器研究

张鑫　 

（西南民族大学电气工程学院　四川 成都 610041）

摘 要：LLC谐振变换器具有高频率、高效率和高功率密度性能优势，广泛应用于大功率变换器场合，例如新能源电动汽车的充电机。为了保证充电机在气候变化时保证电压的稳定输出，需要全桥LLC谐振变换器能够工作在较宽的输入电压范围。为拓宽电压的输入范围，对本文提出的并联后级全桥LLC谐振变换器的直流增益进行分析；通过数字控制实现移相控制；并通过PISM仿真软件搭建其仿真电路，建立320V~500V输入、48V/2.5A输出的仿真模型，通过仿真数据验证此方案的可行性和理论分析的正确性。

关键词：全桥LLC谐振变换器；宽输入；移相控制

0  引言

近年来，为缓解能源与大气污染问题，新能源汽车得到了大力推广，随着带动着充电机的迅速发展。作为充电机的核心部分之一的DCDC变换器，需要选择能够实现宽范围电压输入、低工作损耗以及功率密度小等条件，LLC谐振变换器能实现宽范围电压输入、高效率、高功率密度和低成本的功率变换[1]，被选为本文的拓扑结构进行了分析和研究。

为了实现LLC谐振变换器的宽范围输入，国内外的许多学者进行了多年的研究，实现的方法主要是从改变电路拓扑结构方面来完成，改进主要可以分为三类：原边逆变网络的变形、谐振网络的变形和副边整流滤波网络的变形。本文分析了采用数字移相控制方法，通过对电路拓扑进行改进，通过PISM仿真软件搭建其仿真电路，建立320V~500V输入、48V/2.5A输出的仿真模型，通过仿真数据验证此方案的可行性和理论分析的正确性。

1  工作原理

本文提出的拓宽输入范围由拓扑的改进，将原有的由二极管D1~D4组成主路全桥整流电路，滤波电容Co组成整流网络做出进一步改进。后级并联稳压器[2]由四个二极管D1、D2、D3、D4，两组滤波器Lf1、Cf1，Lf、Cf、副边变压器增加两个绕组m1、m2和一个开关管G5组成，Ro输出负载。此外，D1和D4的平均电流，取决于G5的占空比D，开关管G5控制功率分配。图1为后级并联全桥LLC谐振变换器拓扑图。

图 1 后级并联全桥LLC谐振变换器拓扑图

t0-t1：变压器原边将能量传输给上面两个绕组m1m2，主整流器D2D3断开停止工作，仅通过D1为负载供电，能量通过二极管D1传输给并联后级结构的滤波器后经过开关管G5，通过改变开关管G5的占空比控制能量传输。

      (13)

t1-t2：t1间隔，供电结束后并联后级结构关闭，Lf电感电流从开关管G5传输到D2。t1时刻结束后，变压器将能量传输到D2，经过主滤波器后为负载提供全部电流。

          (14)

t2-t3：变压器漏感电流传导给D2D3主整流器，在主整流器电感Lf处的伏秒平衡得到输出电压Vo，由此得到归一化直流电压转化比。

           (15)

      (16)

由公式可得，增加m2的匝数可以获得更宽的直流增益范围，但是在增加绕组匝数过增加开关管G5和主整流器D2D3的电压应力，在实物设计中需要对元器件选型特别注意。由公式可以得出结论，随着开关管G5占空比的增加，直流增益也随之增长[3]。开关管G5的占空比决定并联后级结构通向主滤波器的时间，导通的时间越长，传输的能量就越大，总而达到控制输出能量的大小

2  仿真实验验证

本文采用的是移相控制方法，通过调节开关网络输出的电压Vab的占空比来调节和保证输出电压的稳定。使用PSIM仿真软件中CBlock模块完成移相控制程序设计。通过对输出电压进行采样，与基准电压对比做差得到误差电压，通过PI运算得到移相角，通过改变移相角的大小，改变单个周期电压Vab的导通时间，从而调节输出电压。以此循环，最终得到一个稳定的输出电压。

仿真的主要波形如图所示：图2为本文设计的并联后级全桥LLC谐振变换器的的输入电压、输出电压波形，输入电压在320V～500V范围可以保持输出电压稳定在48V、以及全桥LLC谐振电路的主要波形。

图 2主要波形

3  结论

本文设计的并联后级全桥LLC谐振变换器，通过PISM仿真软件搭建其仿真电路，最终实现320V~500V输入、48V/2.5A输出的电路仿真模型，通过仿真结果得到仿真数据验证此方案的可行性和理论分析的正确性。

参考文献

[1]陈申. 宽输入高增益隔离型DC-DC变换器的研究[D]. 浙江大学, 2012.

[2]Wang X , Tian, Feng, et al. High Efficiency Parallel Post Regulator for Wide Range Input DC-DC Converter.[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008.

孙孝峰, 申彦峰, 朱云娥,等. 一种Boost型宽电压范围输入LLC谐振变换器[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(15):3895-3903.

基金项目：西南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金项目资助2021NYYXS113

作者简介：张鑫（1998-），男，吉林省四平市，硕士研究生，主要研究方向为开关变换器的拓扑、建模和控制技术；

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