LLC变换器的时域比较分析

以下文章来源于PSD功率系统设计 ，作者Henri Huillet

向多电飞机（MEA）的成功过渡在很大程度上取决于高效可靠的DC-DC转换器的开发

作者：GAIA Converter首席执行官Henri Huillet

满足MEA应用施加的严格EMI要求可能具有挑战性。在这篇文章中，GAIA Converter的首席执行官Henri Huillet研究了三相LLC DC-DC转换器如何提供有效的解决方案。根据GAIA Converter和马德里理工大学最近进行的时域分析，本文比较了两种LLC转换器配置：单相和三相，说明后者如何提供额外的好处，使其成为MEA应用的理想选择。

“多电飞机”或MEA定义了用电动替代品取代飞机中液压驱动的致动器、泵和其他设备的持续趋势。通过使用更高效、占地面积更小、更可靠的电动设备，可以节省发动机燃料并将排放降至最低，同时降低操作和维护成本。

为了实现这些结果，不同电压轨之间的功率转换级必须尽可能低损耗和轻量。典型的主飞机总线标称为270VDC，在隔离的情况下向下转换为28VDC，然后再次转换为其他负载电压。在本文中，我们将研究两种设计拓扑的选择，这两种拓扑可能用于功率转换的第一阶段。

01传统LLC转换器：优点和缺点

在许多应用中，“LLC”转换器已成为一种流行的转换拓扑。这些具有低动态损耗的谐振型转换器显示出低EMI特征，并且通常可以仅使用具有由变压器的漏电感形成的谐振电感器Lr的单个磁性元件。调节是通过改变开关频率来实现的，开关的驱动是50%占空比下的简单脉冲串。然而，控制是复杂的，并且经常使用数字信号处理器，但是最终产品可以具有高性能和高功率密度。

和以往一样，没有一种拓扑结构在所有条件下都是完美的。MEA应用要求将开关频率从最小负载到最大负载的变化限制在标称值的+/-15%，并在235VDC到285VDC的“正常”输入电压范围内。只有在低于220VDC和高达320VDC的异常输入条件下，限值才会放宽。虽然可以为这些范围设计“标准”LLC转换器，但失去了一些好处，尤其是在磁性方面。这是因为对于小的频率变化，谐振电感器Lr需要具有与变压器磁化电感Lm相似的电感。

因此，将Lr作为有意的漏电感集成到变压器中变得不切实际且效率低下。因此，Lr必须是一个独立的分立组件。此外，LLC拓扑具有相对较高的输入和输出纹波电流，这增加了部件应力并要求相对较大的电容器。

02使用三相LLC转换器的好处

对于简单的LLC转换器，有一种很少使用的替代方案——三相版本。尽管三相LLC转换器具有更高的元件数量，但它有望更高效、整体更小。因为硅的总面积更小，所以变压器更小，输入和输出纹波电流大大减少，这意味着更小的电容器和更低的损耗。

03传统与三相LLC转换器

在三相LLC电路中，变压器初级处于“Y”配置，以分离出三个磁化电感Lm A、B和C以及相应的未耦合“谐振”电感器Lr A、B和C。三个输出绕组处于三角形配置，以有效利用绕组，从而使绕组中的纹波电流比单相LLC低√3倍。变压器的绕组复杂性高于单相LLC，但总体尺寸约小40%，损耗显著降低65%。

尺寸的减小在一定程度上被需要三个谐振电感器而不是一个所抵消，尽管它们的总损耗大致相同。与单相LLC分别需要两个和两个相比，三相LLC需要六个初级开关和六个次级同步整流器。然而，较低的总耗散分布在三相LLC中的多个器件上，这意味着总半导体占地面积可以更小，单个结温更低，以增强可靠性。在任何情况下，拓扑结构之间的开关数量可能没有那么不同，因为在单相LLC中，由于较高的工作电流，设备通常需要并联。

04LLC变换器的时域比较分析

关于三相LLC拓扑结构的文献很少，因此GAIA Converter与马德里理工大学的研究人员一起着手生成一种方法，该方法将导出电压增益曲线的方程。这些对设计过程至关重要，并表明所有条件下所需的预期频率变化。LLC变换器分析被认为是复杂的，通常采用的方法与其他拓扑类似，在其他拓扑中，评估动力传动系的频率或“s”域响应，指示响应中的“极点”和“零点”，并绘制为“Bode”图。为了简化分析，进行了所谓的“一次谐波近似”（FHA），它忽略了变压器电流的二次谐波和更高阶谐波对输出功率的贡献。然而，这种方法并不能给出完全准确的性能图片，特别是当预测高于和低于谐振的增益时。

相反，GAIA Converter和马德里理工大学选择了“时域分析”。这种方法很复杂，需要大量的计算，但却是最准确的。波形被划分为离散的时间间隔，所施加的电路电压的值被识别，电阻、电容和电感网络的值被评估，其中包括可能的非线性效应，例如开关的输出电容。

串联谐振转换器的电路可以表示为图1，定义其时域特性的微分方程为方程1，求解了电感器电流，如方程2所示。常数c和c′是通过评估边界条件得出的，边界条件取决于特定的谐振拓扑和工作条件。

图1：LLC转换器中的谐振电路

对于三相LLC转换器，针对方程组3中的五个条件和从方程组4中的边界条件导出的十个常数，确定了一组五个方程。

根据这些方程，谐振回路的电压增益可以随着频率的变化而评估。

研究人员将时域分析结果与FHA方法和Plecs电路模拟的结果进行了比较。结果如图2所示，显示了Plecs和时域分析方法之间的完全一致性，FHA方法在共振以下最大偏差约5%，在共振以上最大偏差约3%。

图2：三相LLC谐振回路增益、时域、FHA和Plecs模拟的比较分析

05用于MEA的SWaP优化LLC转换器的设计

作为一项练习，研究团队比较了现有单相LLC设计的结果，该设计已经针对尺寸、重量和功率（SWaP）进行了优化，并模拟了三相版本，两者都提供了从235VDC到285VDC的1kW（最小600W）输入和28VDC输出。开关频率变化极限最大为+/-15%，最小效率为96%，允许转换器高度为13mm。

单相LLC使用矩阵变压器和单独的谐振电感器，而三相LLC使用带隙平面变压器和三个单独的谐振电感。这些都使用了TP5E材料，并使用低损耗绕组技术（如litz线和平面铜层）进行了定制设计，这些技术针对低趋肤和接近损耗进行了优化。对于这两个转换器，GaN HEMT单元被用作初级开关，硅MOSFET被用作次级开关。

如表1所示，最显著的结果是，当使用三相LLC时，损耗总体降低了15%，功率密度提高了20%。此外，对于相同的输出电容，三相LLC实现了纹波电压降低约100倍。

表1：损耗和占地面积比较——单相和三相LLC转换器

06结论

GAIA Converter和马德里理工大学开展的研究项目表明，对三相LLC变流器进行时域分析可以提供准确的结果。当分析技术用于设计MEA应用的真实世界的转换器时，与单相LLC方法相比，三相LLC拓扑在效率和功率密度方面实现了显著而有价值的增益。