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双向全桥LLC谐振DC-DC变换器的研究——双向谐振变换器 2022-07-06 09:29
参考文献：李海平，双向全桥LLC谐振DC-DC变换器的研究【D】，西安理工大学，2019（转发请注明出处及作者）
双向谐振变换器的研究现状
常见的双向谐振变换器主要有双向串联谐振变换器(Serious Resonant Converter, SRC)和双向 LLC 谐振变换器。图 1-6 所示为双向 SRC 的电路拓扑。有文献报道采用移相控制使得开关管均能实现 ZVS 或 ZCS，但双向 SRC 的调压能力有限，其最大电压增益为 1。有文献提出了一种新的控制方法使双向 SRC 工作在间歇模式下，通过累积能量来提高输出电压，其电压增益可以大于 1。但在 2k W 负载下，控制策略复杂，效率为 91%。也有文献提出了一种采用连续电流模式的升压双向 SRC，其在宽功率范围内具有较高的效率，输入电压为 60V 时的满载效率为 90％。由于双向 SRC 反向工作时只能降压，因此不适合电压变化范围较大的场合应用。
双向 LLC 谐振变换器从拓扑结构上可以将其分为不对称型和对称型两大类，下面分不对称型和对称型进行介绍。
（1）不对称型
不对称型双向 LLC 谐振变换器的电路拓扑主要有图 1-7、图 1-8 和图 1-9 三种电路结构。传统双向 LLC 谐振变换器是直接用功率器件MOSFET 替代单向 LLC 谐振变换器中的二极管构成，如图 1-7 所示。其正向工作时的运行机理与单向 LLC 谐振变换器一致，但是由于 Lm在反向工作时被箝位，所以反向工作时只有Lr 和Cr 谐振，此时最大电压增益为1。
为了增大反向运行时的电压增益，有文献通过在一次侧的全桥中点增加辅助电感Lm2 对图 1-7 所示的电路拓扑进行改进，使其正反向的工作模式能够自动切换，其拓扑结构如图 1-8 所示。Lm2起类似于励磁电感 Lm的作用，有利于开关管实现 ZVS，但 Lm2的存在使得损耗增加，效率降低。
通过在二次侧增加辅助电容 Cr2对图 1-7 所示的传统双向 LLC 谐振变换器进行改进，见图 1-9。Cr2使变换器在正反向工作时均能实现 ZVS和 ZCS，但由于不对称的拓扑结构使得变换器双向运行时的工作特性不同，增加了参数设计的难度和控制的复杂度。
由上述分析可知，不对称的电路结构使得双向 LLC 谐振变换器在应用时存在一定的不足。首先，变换器在正反向运行时的运行特性可能不一致；其次，由于电路结构的不对称会导致变换器参数设计和控制较为复杂。
（2）对称型
下面单独对对称型的双向 LLC 谐振变换器进行重点分析，对称型的电路拓扑主要有图1-10 所示的双向全桥 LLC （ DAB-LLC ）谐振变换器和图 1-11 所示的双向半桥 LLC 谐振变换器（ HB-LLC）。
对称型的双向 LLC 谐振变换器通过在二次侧增加Lr2 和Cr2 ，使得变换器在正反向工作时都存在一模一样的 LLC 谐振网络。由于实际电路中 Lm是存在于变压器中的，所以图1-10 和图 1-11 所示的变换器，其在电路结构上是完全对称的。
有学者从参数设计、数学建模、性能改进和控制策略等方面对 DAB-LLC 变换器和 HB-LLC 变换器进行深入的研究。参数设计方面，有学者针对 DAB-LLC 变换器在直流变压器上的应用，在考虑实际的电感值和电容值会随温度和功率的变化而与理论设计值不同的基础上，提出了一种适用于直流变压器的参数设计方法。有学者先通过DAB-LLC 变换器的增益特性确定几组谐振网络的参数，再利用 MATLAB 软件对其进行损耗分析，最后选择出效率最优的一组参数作为最终参数。但其参数设计流程复杂，计算繁琐。有学者针对 DAB-LLC 变换器在电动汽车上的应用，提出了一种在所有情况下电压增益曲线总是单调减小的参数设计方法，但其在轻载时效率较低。有学者采用迭代法，先假定一次侧谐振电感与励磁电感的比值（电感比）k 的值，再对 DAB-LLC 变换器的其他参数进行设计，计算过程较为繁琐。有学者针对 DAB-LLC 变换器在低压直流配电系统中的应用，提出了一种在单位增益时的参数设计方法。但在一定条件下的电压范围较小，不适合应用在电动汽车场合。
建模方面，有学者采用一种新的扩展谐波近似建模方法对 HB-LLC 谐振变换器进行建模，并在此基础上提出的相位跟踪技术使变换器的效率提高了 1.8%。有学者在研究一种能够精确确定漏感的变压器损耗建模方法的基础上，考虑体积、重量、匝数、铁芯和绕组规格之间关系，提出了一种基于遗传算法的多目标优化算法，能使 HB-LLC 变换器的峰值效率达到 98.2％。有学者建立了包括 DAB-LLC、CLL 和 LLC 各种双向谐振变压器的分析模型，提出将电感比作为设计变压器的指导原则。有学者]采用时域分析法进行建模，探讨了 DAB-LLC 变换器的电压传输比、电感比和开关频率对不同工作模式的影响，且能够预测谐振电流、电压特性和输出功率特性，但是时域分析法的方程阶数较高、变量较多和代数运算过程较为复杂，求解困难。
性能改进方面，有学者将 DAB-LLC 变换器串联作为车载充电电源的第二级输入，采用可变直流电压跟踪充电电池的宽电压范围，并使用集成变压器来提高功率密度。文献[36]详细分析了 DAB-LLC 变换器中不同工作频率对三种不同磁芯材料变压器设计的影响，从变压器的角度优化变换器的性能。有学者将一种新颖的同步整流技术应用到具有集成变压器的 HB-LLC 谐振变换器中，提高了变换器的性能。有学者对 4 种不同的双向 DC-DC 变换器进行综合比较，考虑到效率、尺寸和成本等因素，在 1k W 时 HB-LLC变换器性能最优。有学者对 DAB-LLC 变换器进行改进，使其工作在固定增益和谐振频率下，并采用SiC MOSFET 来降低损耗，提高效率，但没有进行实验验证。文有学者分析了 50%占空比控制方案下的开关死区时间对 DAB-LLC 变换器 ZCS 软开关的影响，但没有给出开关死区时间的具体计算过程。有学者对 HB-LLC 谐振变换器中的谐振电感进行集成，以减小功率密度。有学者提出了 DAB-LLC 变换器的最大效率跟踪方法，但没有搭建硬件电路进行证明。有学者在 DAB-LLC 变换器中对比了 GaN 功率器件和 Si MOSFET，从元器件的角度优化 DAB-LLC 变换器的性能。有学者对 DAB-LLC 变换器中的变压器进行了研究，设计了一种集成式磁性变压器，该变压器不仅可以减小磁体积，保持高效率，而且还可以改善散热性能。
控制策略方面，有学者采用变频相位控制的策略来控制 DAB-LLC 变换器，能够有效降低无功功率，提高变换器的效率。有学者对 DAB-LLC 变换器采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制混合调制的方法，使得电压和电流纹波减小，变换器功率增大。有学者采用开环定频的方式，方法简单，但是不适用于负载变化的场合。有学者采用死区控制对DAB-LLC 变换器进行控制，能使输出电压在进行换向工作时比较平滑，但存在电压纹波较大的不足。
DAB-LLC 变换器所具备的优良性能很大程度上取决于三个参数——变压器变比 n 、电感比 k 和品质因数Q 。但现有文献在对 DAB-LLC 变换器进行参数设计时，电感比 k 和品质因数 Q 的取值一般是通过经验法或者试凑法得到，这使得所设计的参数适用范围小，准确度低。针对上述问题，本文在描述 DAB-LLC 变换器工作原理的基础上，运用基波分析法（ First Harmonic Approximation，FHA）对 DAB-LLC 变换器进行建模，详细分析其工作特性，推导了基于感性电压增益最大值对电感比 k 的约束关系和软开关条件对品质因数 Q 的约束条件，一种通过数学解析式结合图形实现谐振网络参数优化的设计方法。
DAB-LLC 变换器的设计
参考了国标 GBT18487.1-2015 ， 将 DAB-LLC变换器的低压侧电压V2设为200V~500V ，并结合实际，确定了 DAB-LLC 变换器的其他设计指标，如表 4-1 所示。
SiC MOSFET 虽然在结构上与 Si MOSFET 类似，但是特性存在差异，所以为了更好地应用SiC MOSFET ，下面在对比分析SiC MOSFET 和Si MOSFET 静态特性的基础上，并兼顾变换器在高频下存在的桥臂串扰问题，设计了一种SiC MOSFET 的驱动方案。
SiC MOSFET 和普通 Si MOSFET 一样，均属于电压控制型器件，但 SiC MOSFET 的驱动设计与Si MOSFET 不同，主要表现为驱动电压和驱动速度的不同。SiC MOSFET 的阈值电压只有 2.2V，容易被误触发，尤其是高频工作状态时，过高的di/dt 会在驱动回路上造成电压振荡，引起误触发，所以常采用负压关断。所以传统Si MOSFET 的驱动方案不适用于SiC MOSFET ，需要专门设计。
SiC MOSFET 的阈值电压和负向击穿电压较低，栅极寄生电阻较大，又因为DAB-LLC 变换器在高频工作状态下较易发生桥臂串扰，所以由串扰引起的电流会在栅极电阻上产生电压，一旦超过SiC MOSFET 的阈值电压或者耐压下限，就可能引起误导通，甚至造成门极击穿。因此，抑制串扰是设计SiC MOSFET 驱动电路需要考虑的关键因素。
综合考虑SiC MOSFET 的特性及 DAB-LLC 电路存在的串扰问题，在进行驱动电路的设计时，正压选择+20V，负压选择-4V。采用集隔离和保护为一体的ACPL-W346 作为驱动 IC ，可以实现10V~20V 的宽输出电压，同时驱动电流较大。
综上所述，可得图 4-6 所示的SiC MOSFET 驱动原理图。
为了得到比较理想的驱动脉冲，在驱动芯片输入侧加入了施密特触发器U1。C4相对于Cgs较大，以抑制串扰，限幅二极管D2和D3以防止过高的驱动电压损坏 SiC MOSFET的栅源极。
西安理工大学李海平的研究工作虽取得一定成果，但仍有很多方面值得深入研究：
（1）进一步提高电压范围，满足电网与电动汽车互动技术实际所需的 200V-500V 电压范围，甚至更宽的输出电压范围。
（2）为了提高蓄电池的使用寿命，应结合 DAB-LLC 变换器的具体特点，研究先进的充电控制方法。
（3）针对容性负载，进一步优化 DAB-LLC 变换器参数。
双向谐振变换器的研究现状
常见的双向谐振变换器主要有双向串联谐振变换器(Serious Resonant Converter, SRC)和双向 LLC 谐振变换器。图 1-6 所示为双向 SRC 的电路拓扑。有文献报道采用移相控制使得开关管均能实现 ZVS 或 ZCS，但双向 SRC 的调压能力有限，其最大电压增益为 1。有文献提出了一种新的控制方法使双向 SRC 工作在间歇模式下，通过累积能量来提高输出电压，其电压增益可以大于 1。但在 2k W 负载下，控制策略复杂，效率为 91%。也有文献提出了一种采用连续电流模式的升压双向 SRC，其在宽功率范围内具有较高的效率，输入电压为 60V 时的满载效率为 90％。由于双向 SRC 反向工作时只能降压，因此不适合电压变化范围较大的场合应用。
（1）不对称型
不对称型双向 LLC 谐振变换器的电路拓扑主要有图 1-7、图 1-8 和图 1-9 三种电路结构。传统双向 LLC 谐振变换器是直接用功率器件MOSFET 替代单向 LLC 谐振变换器中的二极管构成，如图 1-7 所示。其正向工作时的运行机理与单向 LLC 谐振变换器一致，但是由于 Lm在反向工作时被箝位，所以反向工作时只有Lr 和Cr 谐振，此时最大电压增益为1。
（2）对称型
下面单独对对称型的双向 LLC 谐振变换器进行重点分析，对称型的电路拓扑主要有图1-10 所示的双向全桥 LLC （ DAB-LLC ）谐振变换器和图 1-11 所示的双向半桥 LLC 谐振变换器（ HB-LLC）。
有学者从参数设计、数学建模、性能改进和控制策略等方面对 DAB-LLC 变换器和 HB-LLC 变换器进行深入的研究。参数设计方面，有学者针对 DAB-LLC 变换器在直流变压器上的应用，在考虑实际的电感值和电容值会随温度和功率的变化而与理论设计值不同的基础上，提出了一种适用于直流变压器的参数设计方法。有学者先通过DAB-LLC 变换器的增益特性确定几组谐振网络的参数，再利用 MATLAB 软件对其进行损耗分析，最后选择出效率最优的一组参数作为最终参数。但其参数设计流程复杂，计算繁琐。有学者针对 DAB-LLC 变换器在电动汽车上的应用，提出了一种在所有情况下电压增益曲线总是单调减小的参数设计方法，但其在轻载时效率较低。有学者采用迭代法，先假定一次侧谐振电感与励磁电感的比值（电感比）k 的值，再对 DAB-LLC 变换器的其他参数进行设计，计算过程较为繁琐。有学者针对 DAB-LLC 变换器在低压直流配电系统中的应用，提出了一种在单位增益时的参数设计方法。但在一定条件下的电压范围较小，不适合应用在电动汽车场合。
建模方面，有学者采用一种新的扩展谐波近似建模方法对 HB-LLC 谐振变换器进行建模，并在此基础上提出的相位跟踪技术使变换器的效率提高了 1.8%。有学者在研究一种能够精确确定漏感的变压器损耗建模方法的基础上，考虑体积、重量、匝数、铁芯和绕组规格之间关系，提出了一种基于遗传算法的多目标优化算法，能使 HB-LLC 变换器的峰值效率达到 98.2％。有学者建立了包括 DAB-LLC、CLL 和 LLC 各种双向谐振变压器的分析模型，提出将电感比作为设计变压器的指导原则。有学者]采用时域分析法进行建模，探讨了 DAB-LLC 变换器的电压传输比、电感比和开关频率对不同工作模式的影响，且能够预测谐振电流、电压特性和输出功率特性，但是时域分析法的方程阶数较高、变量较多和代数运算过程较为复杂，求解困难。
性能改进方面，有学者将 DAB-LLC 变换器串联作为车载充电电源的第二级输入，采用可变直流电压跟踪充电电池的宽电压范围，并使用集成变压器来提高功率密度。文献[36]详细分析了 DAB-LLC 变换器中不同工作频率对三种不同磁芯材料变压器设计的影响，从变压器的角度优化变换器的性能。有学者将一种新颖的同步整流技术应用到具有集成变压器的 HB-LLC 谐振变换器中，提高了变换器的性能。有学者对 4 种不同的双向 DC-DC 变换器进行综合比较，考虑到效率、尺寸和成本等因素，在 1k W 时 HB-LLC变换器性能最优。有学者对 DAB-LLC 变换器进行改进，使其工作在固定增益和谐振频率下，并采用SiC MOSFET 来降低损耗，提高效率，但没有进行实验验证。文有学者分析了 50%占空比控制方案下的开关死区时间对 DAB-LLC 变换器 ZCS 软开关的影响，但没有给出开关死区时间的具体计算过程。有学者对 HB-LLC 谐振变换器中的谐振电感进行集成，以减小功率密度。有学者提出了 DAB-LLC 变换器的最大效率跟踪方法，但没有搭建硬件电路进行证明。有学者在 DAB-LLC 变换器中对比了 GaN 功率器件和 Si MOSFET，从元器件的角度优化 DAB-LLC 变换器的性能。有学者对 DAB-LLC 变换器中的变压器进行了研究，设计了一种集成式磁性变压器，该变压器不仅可以减小磁体积，保持高效率，而且还可以改善散热性能。
控制策略方面，有学者采用变频相位控制的策略来控制 DAB-LLC 变换器，能够有效降低无功功率，提高变换器的效率。有学者对 DAB-LLC 变换器采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制混合调制的方法，使得电压和电流纹波减小，变换器功率增大。有学者采用开环定频的方式，方法简单，但是不适用于负载变化的场合。有学者采用死区控制对DAB-LLC 变换器进行控制，能使输出电压在进行换向工作时比较平滑，但存在电压纹波较大的不足。
DAB-LLC 变换器所具备的优良性能很大程度上取决于三个参数——变压器变比 n 、电感比 k 和品质因数Q 。但现有文献在对 DAB-LLC 变换器进行参数设计时，电感比 k 和品质因数 Q 的取值一般是通过经验法或者试凑法得到，这使得所设计的参数适用范围小，准确度低。针对上述问题，本文在描述 DAB-LLC 变换器工作原理的基础上，运用基波分析法（ First Harmonic Approximation，FHA）对 DAB-LLC 变换器进行建模，详细分析其工作特性，推导了基于感性电压增益最大值对电感比 k 的约束关系和软开关条件对品质因数 Q 的约束条件，一种通过数学解析式结合图形实现谐振网络参数优化的设计方法。
DAB-LLC 变换器的设计
参考了国标 GBT18487.1-2015 ， 将 DAB-LLC变换器的低压侧电压V2设为200V~500V ，并结合实际，确定了 DAB-LLC 变换器的其他设计指标，如表 4-1 所示。
SiC MOSFET 和普通 Si MOSFET 一样，均属于电压控制型器件，但 SiC MOSFET 的驱动设计与Si MOSFET 不同，主要表现为驱动电压和驱动速度的不同。SiC MOSFET 的阈值电压只有 2.2V，容易被误触发，尤其是高频工作状态时，过高的di/dt 会在驱动回路上造成电压振荡，引起误触发，所以常采用负压关断。所以传统Si MOSFET 的驱动方案不适用于SiC MOSFET ，需要专门设计。
SiC MOSFET 的阈值电压和负向击穿电压较低，栅极寄生电阻较大，又因为DAB-LLC 变换器在高频工作状态下较易发生桥臂串扰，所以由串扰引起的电流会在栅极电阻上产生电压，一旦超过SiC MOSFET 的阈值电压或者耐压下限，就可能引起误导通，甚至造成门极击穿。因此，抑制串扰是设计SiC MOSFET 驱动电路需要考虑的关键因素。
综合考虑SiC MOSFET 的特性及 DAB-LLC 电路存在的串扰问题，在进行驱动电路的设计时，正压选择+20V，负压选择-4V。采用集隔离和保护为一体的ACPL-W346 作为驱动 IC ，可以实现10V~20V 的宽输出电压，同时驱动电流较大。
综上所述，可得图 4-6 所示的SiC MOSFET 驱动原理图。
西安理工大学李海平的研究工作虽取得一定成果，但仍有很多方面值得深入研究：
（1）进一步提高电压范围，满足电网与电动汽车互动技术实际所需的 200V-500V 电压范围，甚至更宽的输出电压范围。
（2）为了提高蓄电池的使用寿命，应结合 DAB-LLC 变换器的具体特点，研究先进的充电控制方法。
（3）针对容性负载，进一步优化 DAB-LLC 变换器参数。
