文献笔记9---LLC-DCX变换器并机谐振网络及均流优化

前言

LLC变换器在谐振频率处可以实现效率最大，并能实现软开关、具有低的EMI等优点，在大功率场合得到了广泛应用。在工业应用中双向LLC-DCX变换器在储能PCS系统中被应用，通过多模块并联的方法实现大容量传输。多模块并联中，不均流问题是一个设计难点，往往微小的谐振参数，导致各模块电流不均衡，严重情况会导致模块的损坏。已有学者针对不均流问题展开研究，提出了通过优化谐振网络的方法实现并机均流，并研制了实验样机对所提出的优化方法进行了验证，证明了优化方法的有效性。

1 概述

模块化是大容量电力电子设备未来发展的必然趋势，LLC变换器本身不具备良好的并联效果，器件受工艺水平的影响，谐振网络中的元件存在较大误差，而该参数对均流效果产生较大的影响。已有研究表明，谐振参数偏差5%可导致电流不均衡度达到50%，因此LLC的并机均流问题研究具有重要意义。

现主流的均流方法分为两类：一是调整拓扑结构；二是采用数字控制技术，针对这两种技术目前具有研究，其中数字控制技术控制复杂，某些条件下实现较为困难。因此，从拓扑结构或参数优化上进行研究，是一种较为有效的方法。本次研读的文献是通过优化谐振网络参数，提升LLC-DCX变换器的自然均流性能，无需采用闭环控制，实现各模块之间的解耦、该方法最大限度简化控制和降低成本。LLC的正向等效电路和增益曲线如图1所示。

2 双向LLC-DCX并联特性优化

对LLC-DCX正向外特性分析可得输出电压随着负载电流的增大而减小，形成负载调整率，输出电压的负载调整率由增益的负载调整率和内阻压降两个因素共同决定。推导得正向增益的负载调整率表达式为

图2给出了负载调整率与电感比之间的关系。

从图2看出，当电感比足够大时基本可以消除正向增益的负载调整率，输出电压的负载调整率基本只与内阻压降有关。但电感比不能无穷大，这样会丢失ZVS，设计中需要折衷。

忽略负载调整率，考虑内阻压降，根据变换器正向输出电压表达式得到内阻的表达式为

根据双向LLC-DCX的正向外特性分析其多模块并联特性。考虑谐振参数偏差和内阻偏差，多模块正向并联的外特性曲线如图3所示。

根据分析最后得到功率正向传输第i个模块电流不均衡度△Ioi的表达式

式中，电流不均衡度ΔIoi由两项相加组成；第一项与各模块的空载输出电压偏差有关，该偏差由谐振参数偏差产生；第二项由内阻偏差产生，是仅与各模块内阻有关的定值。内阻是恒定值无法调节，因此尽可能减小谐振参数的偏差产生的不均衡度。

同样地，可以得到出i、j两模块之间的空载输出电压偏差Vomaxi−Vomaxj的表达式为

由上式可得，在谐振参数偏差一定时，增大λ可减小模块间的空载输出电压偏差，使各模块外特性曲线的纵截距更接近，从而降低并联电流不均衡度对谐振参数偏差的敏感度，改善正向并联系统的均流性能。由此，可根据并联系统的均流指标要求，定量求解λ的取值范围，优化设计谐振参数。对于N模块并联系统，电流不均衡度最大的情况出现在仅有一个模块的谐振参数和内阻均为最小值，其余N−1个模块的谐振参数和内阻均为最大值时，多模块正向并联最不均衡情况的外特性曲线如图4所示。

在Lm的值由双向ZVS条件确定的前提下，通过减小Lr的值来获得较大的λ值。因此，可将变压器漏感作为Lr，在获得较大λ值的同时可很方便地实现谐振电感和变压器的磁集成。所提出的方法在负载突变的动态过程中，各模块在每一时刻都能均衡地分配负载，均流不受动态过程影响。

当反向工作时，其分析过程与正向相似。

3 实验验证

为了证明谐振网络优化的有效性，作者研制了三模块并联系统。谐振电感采用磁集成，为变压器漏感，经谐振参数优化，模块一的电感比λ由136.8增大至290.5。设置谐振参数偏差，谐振参数优化前后，令模块二的3个谐振参数均比模块一偏大约5%，令模块三的3个谐振参数均比块一偏小约5%。满载条件下，功率正向传输时，优化前后测试结果如图5所示。系统从轻载到满载范围内，负载电流和对应的最大电流不均衡度的变化曲线（输入电压Vin=370V，输出电压Vo=61.7V），如图6所示。

该文提出的基于谐振网络优化的多模块LLC-DCX并机均流问题优化方法，研究了均流特性与谐振参数的关系，根据分析得到加大电感比优化谐振网络阻抗分配，从而提高模块均流效果，该方法不需要增加额外的控制，只有优化谐振参数，即可到达优化效果，该文中提出的方法便于在工程实践中落地，设计中需要保证实现软开关的条件下，电感比尽量取大值。对多机并联系统的设计具有指导意义。