LLC諧振變換器的時域分析模型及其限流控制策略.pdf

1、高效率高功率密度 DC-DC變換器是電動汽車充電機、光伏系統(tǒng)直流變換器、數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)等電能變換裝置中的重要組成部分。LLC諧振變換拓撲可實現(xiàn)在高開關(guān)頻率下全負載范圍內(nèi)原邊開關(guān)管的零電壓開通、副邊整流管的零電流關(guān)斷，因而是隔離型DC-DC變換器的理想拓撲。但LLC電路的多諧振和非線性特性，增加了電路精確建模和特性分析的難度，也給電路的運行控制和性能優(yōu)化帶來不小的挑戰(zhàn)。
　　在電路啟動和突加負載的沖擊負荷工況、輸出過載和短路工

2、況下，LLC電路均存在原邊諧振回路電流過沖的問題，可能導(dǎo)致開關(guān)器件損壞或誤觸發(fā)原邊過流保護。常用的開環(huán)調(diào)頻或調(diào)占空比限流策略，諧振電流波形控制效果較差，在過載工況下輸出電壓和諧振電流波動較大，且缺乏簡便的限流參數(shù)設(shè)計方法。閉環(huán)限流策略可以實現(xiàn)靈活的限流特性，但需要增加諧振電流或輸出電流采樣，成本較高。
　　本文主要針對 LLC電路的動態(tài)過程的建模分析、開環(huán)和閉環(huán)限流控制技術(shù)進行研究。首先，文章分析了LLC電路的基本工作模態(tài)和不同開

3、關(guān)頻率、負載條件下的工作模式，并推導(dǎo)了不同工作模態(tài)的狀態(tài)方程描述和不同工作模式的狀態(tài)平面軌跡特性。基于狀態(tài)平面分析方法，文章提出了電路動態(tài)過程中的工作模態(tài)過渡判據(jù)，并求解了不同工作模式下的各個模態(tài)持續(xù)時間，推導(dǎo)了半個開關(guān)周期內(nèi)的輸出電壓增量和諧振電流峰值等狀態(tài)量表達式，最終利用模態(tài)的迭代運算建立了LLC電路的時域分析模型。該時域模型相比于電路仿真可節(jié)省大量時間，同時又能保證足夠的計算精度，可用于分析LLC電路軟啟動、突加負載等工況下的關(guān)

4、鍵電路狀態(tài)量的動態(tài)變化過程。
　　針對 LLC電路開環(huán)限流方法中的起始頻率和調(diào)頻時間常數(shù)的優(yōu)化設(shè)計的問題，文章分析了電路啟動時刻的諧振電流過沖值和收斂值與起始開關(guān)頻率的關(guān)系，配合初始驅(qū)動脈沖寬度優(yōu)化方法，使得啟動時刻的諧振電流快速無過沖地進入收斂狀態(tài)，降低了起始開關(guān)頻率的要求。對于諧振電流限流值設(shè)置較低的情況，采用分裂諧振電容結(jié)構(gòu)的LLC電路拓撲，減少了初始過渡脈沖個數(shù)和脈寬的設(shè)計難度。基于LLC電路的時域分析模型，文章計算出了開

5、環(huán)限流軟啟動過程中的諧振電流最大值，結(jié)合迭代優(yōu)化算法，獲得了最優(yōu)的調(diào)頻時間常數(shù)參數(shù)，可滿足諧振電流限流值要求，同時保證輸出電壓響應(yīng)盡可能快。
　　針對 LLC電路閉環(huán)限流方法需要額外的電流采樣的問題，文章分析了考慮勵磁電流影響下的諧振電流峰值、輸出電壓和開關(guān)頻率三者之間的關(guān)系式，進而提出了基于輸出電壓實時限制開關(guān)頻率的無電流采樣的閉環(huán)限流控制策略，使得在軟啟動、突加負載過程以及過載工況下的諧振電流峰值均被控制在恒定限流值處，實現(xiàn)了