文献笔记10---一种高效率BBLLC-LLC混合变换器

前言

新能源发电具有间歇性、不连续性、不稳定性等特点，是目前制约其发展的重要原因。而技术的发展，需要电力电子装备具有小的体积、高的效率等特点，为了应对上述问题，宽电压输入范围、全范围软开关的变换器是当下研究的热点。已有学者提出了基于四开关Buck-Boost变换器与LLC-DCX变换器结合而成的Sigma变换器，也称之为混合变换器。Buck-Boost LLC变换器通过桥臂集成和部分功率传输的概念，减小变换器的损耗。文章中对BBLLC-LLC变换器的原理进行了分析，给出了设计方法，并通过实验对该拓扑进行了验证。

传统的宽电压应用场景采用级联拓扑，两级拓扑会使用更多的开关器件，降低了变换器的功率密度。为了克服这一问题，磁集成技术被提出。文献[2]研究了一种合并四开关无反向Buck-Boost变换器与LLC变换器的BBLLC（Buck boost LLC）混合变换器，集成过程如图1所示。Buck-Boost级和LLC级共用一组桥臂，占空比保持在50%，因此LLC级的增益特性和效率不变。但由于其引入的电感Lb上流过了全部的输入电流，带来了较大的损耗，

随着技术的发展，一种输入串联输出并联ISOP的Sigma变换器被提出，由一个LLC-DCX和一个D2D变换器组成，如示意图2所示。

Sigma变换器其大部分电能由LLC-DCX级传输，实现更高的效率，小部分电能由D2D级实现调压。文章中D2D变换器结构选择Buck-boost LLC结构，其具有更大的调压范围、更宽的ZVS范围及更高的效率，而LLC-DCX级承担大部分功率传输。该拓扑在拓宽调压范围的前提下，实现了效率的提升，并研制了实验样机进行验证。

2 BBLLC-LLC变换器的原理

该文章根据LLC-DCX变换器的优点，提出了单向BBLLC-LLC混合变换器，以满足宽范围、高效率的需求，电路拓扑如图3所示。

其中，LLC-DCX变换器可以等效为一个直流变压器，工作在开环，工作频率为谐振频率，保证在全电压范围内，变换器均能工作在最佳状态。通过基波近似法可以得到半桥LLC的增益为

根据上式分析，在谐振频率处，其直流增益为1，输出电压与输入电压关系仅有变压器的变比决定。

四开关Buck-Boost与半桥LLC变换器集成，其集成桥臂S3、S4开关占空比为0.5，增益特性保持不变，而前级Buck-Boost变换器增益变为M=2D（D为开关占空比）。由此可以得到BBLLC变换器的增益表达式如下，其增益曲线如图4所示。

BBLLC变换器前级Buck-Boost通过调节占空比来实现电压调节，LLC级就可以工作在定频模式，这样变换器的磁性器件设计变得简单，可以保证变换器工作在最佳状态。其一个周期的工作波形如图5所示。

图3中，电感Lb上流过的电流由Buck-Boost变换器与LLC变换器桥臂之间的移相角p决定。对其电流进行数学建模，得到其表达式Ib为

从上式中可以得到电感Lb选取与占空比和移相角之间的关系。

3 实验验证

为了验证该文中所提出的BBLLC-LLC混合变换器，作者研制了一台输入200~400V，输出12V/500W的样机，对变换器进行了测试，开关管可以实现ZVS，峰值效率可达到97.3%。变换器的理论参数见表1。

400V输入时，开关管S1、S2及变压器副边ZVS波形如图6所示。

该文基于Sigma结构，结合LLC变换器的优势，提出了适应于宽输入电压、全负载范围内能实现ZVS的高性能BBLLC-LLC混合变换器。文中对变换器的工作原理、设计方法和损耗分析等进行了讲述，通过实验验证了理论的正确性和有效性。该方法对LLC变换器的研究及高性能变换器研究具有很好的借鉴意义，同时该变换器在实际中也有很大的使用价值。