三相交错式LLC谐振转换器设计 - 全文

　　LLC串联谐振转换器（SRC）自问世以来由于其特殊的性能表现，使其成为非常普遍的拓墣，特别是其效率和功率密度远远优于其它的DC-DC转换器拓墣。然而，由于它不包含电感输出滤波器，而在输出级仅需一个电容滤波器，因而不可避免地会在输出电容产生高纹波电流。因此，LLC-SRC可作为高电压和低电流的理想应用，如PDP持续电源。

　　当然，它也适用于中电压和中电流应用，如LCD电源，但必需在输出级使用许多并联的极低ESR电容器，以减少输出纹波电压，以及输出电容的电流应力。由于输出电容的高纹波电流可能导致输出电容煺化，并降低DC-DC转换器的使用寿命，最近新开发的两相交错式LLC DC-DC转换器，可望显着地减少输出电容中的输出纹波电流。

　　理论上，两相交错作业的输出纹波电流大约为传统转换器的1/5。然而，这并不足以用于极高电流应用，如电动汽车的功率转换器、电池充电器或伺服器电源等等。

　　本文在此提出一种新型叁相交错式LLC谐振DC-DC转换器设计。该转换器包含叁个普通LLC谐振DC-DC转换器，每个转换器分别以π/3相位差运作。因此输出电容的纹波电流得以显着减小，并且延长转换器的使用寿命。为了确保所提出转换器的有效性，本文使用1kW（12V/84A） DC-DC转换器塬型进行试验，并展示测试结果，结果证明在低电压和高电流输出条件下该方案的有效性。

　　本文提出的电路架构：叁相交错式LLC-SRC的电路图以及等效单相运作的电路图，如图1所示，理论波形如图2所示。两种谐振电路的组成依照负载状态：一种是无负载下由Lr、Lm、和Cr组成，另一种是大量负载下由Lr和Cr组成。因此，需要针对两种不同的谐振频率分别依照以下公式进行分析：

　　图1： 叁相交错式LLC-SRC。

　　品质因数（Qs）由以下公式导出：

　　（3）

　　在此处，n=N1/N2，Zr1为fs=fr1时的特性阻抗，Ro=Vo/Io。如果开关频率低于第一个谐振频率fr1时，次级整流器可以进行软换向，那么，反向恢復损耗则可以忽略。在低电压高电流应用条件下输出电容的纹波电流ΔIc将会极高。我们假设Imax - Imin = ΔIc。那么，纹波电流的比例可按以下公式确定：

　　（4）

　　当开关频率fs = fr1，输出电流Io由以下公式导出：

　　（5）

　　即使为了确保更长的使用寿命而必须抑制电容的电流应力，LLC-SRC电容纹波电流也必然会很高，因为它的输出滤波器仅包含了电容。然而，如果应用交错控制技术，就可以显着地减少LLC-SRC的输出纹波电流。当开关频率fs与第一个谐振频率fr1相同，非供电时期，图2中的t2~t4则可以被忽略。

　　图2：单相运作的理论波形。

　　在fs = fr1条件下，计算从单相到六相LLC-SRC交错运行的纹波比。其结果显示以叁相交错运行的纹波电流大约为单相运行的1/11。

　　实验结果与结论：为了验证叁相交错式LLC谐振转换器的有效性，我们所进行的实验是使用一个1kW的叁相交错式LLC谐振转换器，其中，输入电压为400V，输出为12V/84A。我们为叁相交错作业建置的控制方案如图3所示，谐振参数如表1所示。图4则显示谐振电流的波形和电容在全负载条件下的纹波电流。不同相位之间的相位差为60°，测量到纹波电流ΔIc为20.4A和%ΔIc 为24.3%。

　　图3.叁相交错式控制方案。

　　表1. 谐振参数。

　　图4. 电容的谐振电流和纹波电流。

　　即使因为非供电时期以及谐振电流中的不平衡，所获得的纹波电流比与计算结果不同，但还是验证了透过交错运作可以显着地减少输出电容的纹波电流。因为对于每一转换器的负载状况，DC增益特性必然是不同的，在相位间产生了电流不平衡。因此，需要进一步研究运用相位管理功能的负载共享方法。

　　本文提出了多相交错式LLC-SCR及其控制策略。因为透过交错运作可以显着地减少输出纹波电流，这特别适于低电压且高电流的应用，例如伺服器电源系统，而传统的LLC-SRC通常只适用于高电压低电流应用。透过减少电流应力，可以使用一个较小的电容并且可以延长电源的使用寿命。