雙向全橋LLC諧振DC-DC變換器的研究—雙向諧振變換器

雙向諧振變換器的研究現(xiàn)狀

常見的雙向諧振變換器主要有雙向串聯(lián)諧振變換器(Serious Resonant Converter, SRC)和雙向 LLC 諧振變換器。圖 1-6 所示為雙向 SRC 的電路拓?fù)?。有文獻(xiàn)報(bào)道采用移相控制使得開關(guān)管均能實(shí)現(xiàn) ZVS 或 ZCS，但雙向 SRC 的調(diào)壓能力有限，其最大電壓增益為 1。

有文獻(xiàn)提出了一種新的控制方法使雙向 SRC 工作在間歇模式下，通過累積能量來提高輸出電壓，其電壓增益可以大于 1。但在 2k W 負(fù)載下，控制策略復(fù)雜，效率為 91%。也有文獻(xiàn)提出了一種采用連續(xù)電流模式的升壓雙向 SRC，其在寬功率范圍內(nèi)具有較高的效率，輸入電壓為 60V 時(shí)的滿載效率為 90％。由于雙向 SRC 反向工作時(shí)只能降壓，因此不適合電壓變化范圍較大的場(chǎng)合應(yīng)用。

雙向 LLC 諧振變換器從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上可以將其分為不對(duì)稱型和對(duì)稱型兩大類，下面分不對(duì)稱型和對(duì)稱型進(jìn)行介紹。

（1）不對(duì)稱型

不對(duì)稱型雙向 LLC 諧振變換器的電路拓?fù)渲饕袌D 1-7、圖 1-8 和圖 1-9 三種電路結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)雙向 LLC 諧振變換器是直接用功率器件MOSFET 替代單向 LLC 諧振變換器中的二極管構(gòu)成，如圖 1-7 所示。其正向工作時(shí)的運(yùn)行機(jī)理與單向 LLC 諧振變換器一致，但是由于 Lm在反向工作時(shí)被箝位，所以反向工作時(shí)只有Lr 和Cr 諧振，此時(shí)最大電壓增益為1。

為了增大反向運(yùn)行時(shí)的電壓增益，有文獻(xiàn)通過在一次側(cè)的全橋中點(diǎn)增加輔助電感Lm2 對(duì)圖 1-7 所示的電路拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，使其正反向的工作模式能夠自動(dòng)切換，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1-8 所示。Lm2起類似于勵(lì)磁電感 Lm的作用，有利于開關(guān)管實(shí)現(xiàn) ZVS，但 Lm2的存在使得損耗增加，效率降低。

通過在二次側(cè)增加輔助電容 Cr2對(duì)圖 1-7 所示的傳統(tǒng)雙向 LLC 諧振變換器進(jìn)行改進(jìn)，見圖 1-9。Cr2使變換器在正反向工作時(shí)均能實(shí)現(xiàn) ZVS和 ZCS，但由于不對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得變換器雙向運(yùn)行時(shí)的工作特性不同，增加了參數(shù)設(shè)計(jì)的難度和控制的復(fù)雜度。

由上述分析可知，不對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu)使得雙向 LLC 諧振變換器在應(yīng)用時(shí)存在一定的不足。首先，變換器在正反向運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行特性可能不一致；其次，由于電路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致變換器參數(shù)設(shè)計(jì)和控制較為復(fù)雜。

（2）對(duì)稱型

下面單獨(dú)對(duì)對(duì)稱型的雙向 LLC 諧振變換器進(jìn)行重點(diǎn)分析，對(duì)稱型的電路拓?fù)渲饕袌D1-10 所示的雙向全橋 LLC （ DAB-LLC ）諧振變換器和圖 1-11 所示的雙向半橋 LLC 諧振變換器（ HB-LLC）。

對(duì)稱型的雙向 LLC 諧振變換器通過在二次側(cè)增加Lr2 和Cr2 ，使得變換器在正反向工作時(shí)都存在一模一樣的 LLC 諧振網(wǎng)絡(luò)。由于實(shí)際電路中 Lm是存在于變壓器中的，所以圖1-10 和圖 1-11 所示的變換器，其在電路結(jié)構(gòu)上是完全對(duì)稱的。

有學(xué)者從參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模、性能改進(jìn)和控制策略等方面對(duì) DAB-LLC 變換器和 HB-LLC 變換器進(jìn)行深入的研究。參數(shù)設(shè)計(jì)方面，有學(xué)者針對(duì) DAB-LLC 變換器在直流變壓器上的應(yīng)用，在考慮實(shí)際的電感值和電容值會(huì)隨溫度和功率的變化而與理論設(shè)計(jì)值不同的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于直流變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。有學(xué)者先通過DAB-LLC 變換器的增益特性確定幾組諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，再利用 MATLAB 軟件對(duì)其進(jìn)行損耗分析，最后選擇出效率最優(yōu)的一組參數(shù)作為最終參數(shù)。但其參數(shù)設(shè)計(jì)流程復(fù)雜，計(jì)算繁瑣。有學(xué)者針對(duì) DAB-LLC 變換器在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，提出了一種在所有情況下電壓增益曲線總是單調(diào)減小的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，但其在輕載時(shí)效率較低。有學(xué)者采用迭代法，先假定一次側(cè)諧振電感與勵(lì)磁電感的比值（電感比）k 的值，再對(duì) DAB-LLC 變換器的其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算過程較為繁瑣。有學(xué)者針對(duì) DAB-LLC 變換器在低壓直流配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了一種在單位增益時(shí)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。但在一定條件下的電壓范圍較小，不適合應(yīng)用在電動(dòng)汽車場(chǎng)合。

建模方面，有學(xué)者采用一種新的擴(kuò)展諧波近似建模方法對(duì) HB-LLC 諧振變換器進(jìn)行建模，并在此基礎(chǔ)上提出的相位跟蹤技術(shù)使變換器的效率提高了 1.8%。有學(xué)者在研究一種能夠精確確定漏感的變壓器損耗建模方法的基礎(chǔ)上，考慮體積、重量、匝數(shù)、鐵芯和繞組規(guī)格之間關(guān)系，提出了一種基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化算法，能使 HB-LLC 變換器的峰值效率達(dá)到 98.2％。有學(xué)者建立了包括 DAB-LLC、CLL 和 LLC 各種雙向諧振變壓器的分析模型，提出將電感比作為設(shè)計(jì)變壓器的指導(dǎo)原則。有學(xué)者]采用時(shí)域分析法進(jìn)行建模，探討了 DAB-LLC 變換器的電壓傳輸比、電感比和開關(guān)頻率對(duì)不同工作模式的影響，且能夠預(yù)測(cè)諧振電流、電壓特性和輸出功率特性，但是時(shí)域分析法的方程階數(shù)較高、變量較多和代數(shù)運(yùn)算過程較為復(fù)雜，求解困難。

性能改進(jìn)方面，有學(xué)者將 DAB-LLC 變換器串聯(lián)作為車載充電電源的第二級(jí)輸入，采用可變直流電壓跟蹤充電電池的寬電壓范圍，并使用集成變壓器來提高功率密度。文獻(xiàn)[36]詳細(xì)分析了 DAB-LLC 變換器中不同工作頻率對(duì)三種不同磁芯材料變壓器設(shè)計(jì)的影響，從變壓器的角度優(yōu)化變換器的性能。有學(xué)者將一種新穎的同步整流技術(shù)應(yīng)用到具有集成變壓器的 HB-LLC 諧振變換器中，提高了變換器的性能。有學(xué)者對(duì) 4 種不同的雙向 DC-DC 變換器進(jìn)行綜合比較，考慮到效率、尺寸和成本等因素，在 1k W 時(shí) HB-LLC變換器性能最優(yōu)。有學(xué)者對(duì) DAB-LLC 變換器進(jìn)行改進(jìn)，使其工作在固定增益和諧振頻率下，并采用SiC MOSFET 來降低損耗，提高效率，但沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文有學(xué)者分析了 50%占空比控制方案下的開關(guān)死區(qū)時(shí)間對(duì) DAB-LLC 變換器 ZCS 軟開關(guān)的影響，但沒有給出開關(guān)死區(qū)時(shí)間的具體計(jì)算過程。有學(xué)者對(duì) HB-LLC 諧振變換器中的諧振電感進(jìn)行集成，以減小功率密度。有學(xué)者提出了 DAB-LLC 變換器的最大效率跟蹤方法，但沒有搭建硬件電路進(jìn)行證明。有學(xué)者在 DAB-LLC 變換器中對(duì)比了 GaN 功率器件和 Si MOSFET，從元器件的角度優(yōu)化 DAB-LLC 變換器的性能。有學(xué)者對(duì) DAB-LLC 變換器中的變壓器進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種集成式磁性變壓器，該變壓器不僅可以減小磁體積，保持高效率，而且還可以改善散熱性能。

控制策略方面，有學(xué)者采用變頻相位控制的策略來控制 DAB-LLC 變換器，能夠有效降低無功功率，提高變換器的效率。有學(xué)者對(duì) DAB-LLC 變換器采用脈沖頻率調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制混合調(diào)制的方法，使得電壓和電流紋波減小，變換器功率增大。有學(xué)者采用開環(huán)定頻的方式，方法簡(jiǎn)單，但是不適用于負(fù)載變化的場(chǎng)合。有學(xué)者采用死區(qū)控制對(duì)DAB-LLC 變換器進(jìn)行控制，能使輸出電壓在進(jìn)行換向工作時(shí)比較平滑，但存在電壓紋波較大的不足。

DAB-LLC 變換器所具備的優(yōu)良性能很大程度上取決于三個(gè)參數(shù)——變壓器變比 n 、電感比 k 和品質(zhì)因數(shù)Q 。但現(xiàn)有文獻(xiàn)在對(duì) DAB-LLC 變換器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，電感比 k 和品質(zhì)因數(shù) Q 的取值一般是通過經(jīng)驗(yàn)法或者試湊法得到，這使得所設(shè)計(jì)的參數(shù)適用范圍小，準(zhǔn)確度低。

針對(duì)上述問題，本文在描述 DAB-LLC 變換器工作原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用基波分析法（ First Harmonic Approximation，F(xiàn)HA）對(duì) DAB-LLC 變換器進(jìn)行建模，詳細(xì)分析其工作特性，推導(dǎo)了基于感性電壓增益最大值對(duì)電感比 k 的約束關(guān)系和軟開關(guān)條件對(duì)品質(zhì)因數(shù) Q 的約束條件，一種通過數(shù)學(xué)解析式結(jié)合圖形實(shí)現(xiàn)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。

DAB-LLC 變換器的設(shè)計(jì)

參考了國(guó)標(biāo) GBT18487.1-2015 ， 將 DAB-LLC變換器的低壓側(cè)電壓V2設(shè)為200V~500V ，并結(jié)合實(shí)際，確定了 DAB-LLC 變換器的其他設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表 4-1 所示。

SiC MOSFET 雖然在結(jié)構(gòu)上與 Si MOSFET 類似，但是特性存在差異，所以為了更好地應(yīng)用SiC MOSFET ，下面在對(duì)比分析SiC MOSFET 和Si MOSFET 靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，并兼顧變換器在高頻下存在的橋臂串?dāng)_問題，設(shè)計(jì)了一種SiC MOSFET 的驅(qū)動(dòng)方案。

SiC MOSFET 和普通 Si MOSFET 一樣，均屬于電壓控制型器件，但 SiC MOSFET 的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與Si MOSFET 不同，主要表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)速度的不同。SiC MOSFET 的閾值電壓只有 2.2V，容易被誤觸發(fā)，尤其是高頻工作狀態(tài)時(shí)，過高的di/dt 會(huì)在驅(qū)動(dòng)回路上造成電壓振蕩，引起誤觸發(fā)，所以常采用負(fù)壓關(guān)斷。所以傳統(tǒng)Si MOSFET 的驅(qū)動(dòng)方案不適用于SiC MOSFET ，需要專門設(shè)計(jì)。

SiC MOSFET 的閾值電壓和負(fù)向擊穿電壓較低，柵極寄生電阻較大，又因?yàn)镈AB-LLC 變換器在高頻工作狀態(tài)下較易發(fā)生橋臂串?dāng)_，所以由串?dāng)_引起的電流會(huì)在柵極電阻上產(chǎn)生電壓，一旦超過SiC MOSFET 的閾值電壓或者耐壓下限，就可能引起誤導(dǎo)通，甚至造成門極擊穿。因此，抑制串?dāng)_是設(shè)計(jì)SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路需要考慮的關(guān)鍵因素。

綜合考慮SiC MOSFET 的特性及 DAB-LLC 電路存在的串?dāng)_問題，在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)時(shí)，正壓選擇+20V，負(fù)壓選擇-4V。采用集隔離和保護(hù)為一體的ACPL-W346 作為驅(qū)動(dòng) IC ，可以實(shí)現(xiàn)10V~20V 的寬輸出電壓，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電流較大。

綜上所述，可得圖 4-6 所示的SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)原理圖。

為了得到比較理想的驅(qū)動(dòng)脈沖，在驅(qū)動(dòng)芯片輸入側(cè)加入了施密特觸發(fā)器U1。C4相對(duì)于Cgs較大，以抑制串?dāng)_，限幅二極管D2和D3以防止過高的驅(qū)動(dòng)電壓損壞 SiC MOSFET的柵源極。

西安理工大學(xué)李海平的研究工作雖取得一定成果，但仍有很多方面值得深入研究：

（1）進(jìn)一步提高電壓范圍，滿足電網(wǎng)與電動(dòng)汽車互動(dòng)技術(shù)實(shí)際所需的 200V-500V 電壓范圍，甚至更寬的輸出電壓范圍。

（2）為了提高蓄電池的使用壽命，應(yīng)結(jié)合 DAB-LLC 變換器的具體特點(diǎn)，研究先進(jìn)的充電控制方法。

（3）針對(duì)容性負(fù)載，進(jìn)一步優(yōu)化 DAB-LLC 變換器參數(shù)。