文獻筆記9---LLC-DCX變換器并機諧振網絡及均流優化

前言

LLC變換器在諧振頻率處可以實現效率最大，并能實現軟開關、具有低的EMI等優點，在大功率場合得到了廣泛應用。在工業應用中雙向LLC-DCX變換器在儲能PCS系統中被應用，通過多模塊并聯的方法實現大容量傳輸。多模塊并聯中，不均流問題是一個設計難點，往往微小的諧振參數，導致各模塊電流不均衡，嚴重情況會導致模塊的損壞。已有學者針對不均流問題展開研究，提出了通過優化諧振網絡的方法實現并機均流，并研制了實驗樣機對所提出的優化方法進行了驗證，證明了優化方法的有效性。

1 概述

模塊化是大容量電力電子設備未來發展的必然趨勢，LLC變換器本身不具備良好的并聯效果，器件受工藝水平的影響，諧振網絡中的元件存在較大誤差，而該參數對均流效果產生較大的影響。已有研究表明，諧振參數偏差5%可導致電流不均衡度達到50%，因此LLC的并機均流問題研究具有重要意義。

現主流的均流方法分為兩類：一是調整拓撲結構；二是采用數字控制技術，針對這兩種技術目前具有研究，其中數字控制技術控制復雜，某些條件下實現較為困難。因此，從拓撲結構或參數優化上進行研究，是一種較為有效的方法。本次研讀的文獻是通過優化諧振網絡參數，提升LLC-DCX變換器的自然均流性能，無需采用閉環控制，實現各模塊之間的解耦、該方法最大限度簡化控制和降低成本。LLC的正向等效電路和增益曲線如圖1所示。

2 雙向LLC-DCX并聯特性優化

對LLC-DCX正向外特性分析可得輸出電壓隨著負載電流的增大而減小，形成負載調整率，輸出電壓的負載調整率由增益的負載調整率和內阻壓降兩個因素共同決定。推導得正向增益的負載調整率表達式為

圖2給出了負載調整率與電感比之間的關系。

從圖2看出，當電感比足夠大時基本可以消除正向增益的負載調整率，輸出電壓的負載調整率基本只與內阻壓降有關。但電感比不能無窮大，這樣會丟失ZVS，設計中需要折衷。

忽略負載調整率，考慮內阻壓降，根據變換器正向輸出電壓表達式得到內阻的表達式為

根據雙向LLC-DCX的正向外特性分析其多模塊并聯特性。考慮諧振參數偏差和內阻偏差，多模塊正向并聯的外特性曲線如圖3所示。

根據分析最后得到功率正向傳輸第i個模塊電流不均衡度△Ioi的表達式

式中，電流不均衡度ΔIoi由兩項相加組成；第一項與各模塊的空載輸出電壓偏差有關，該偏差由諧振參數偏差產生；第二項由內阻偏差產生，是僅與各模塊內阻有關的定值。內阻是恒定值無法調節，因此盡可能減小諧振參數的偏差產生的不均衡度。

同樣地，可以得到出i、j兩模塊之間的空載輸出電壓偏差Vomaxi−Vomaxj的表達式為

由上式可得，在諧振參數偏差一定時，增大λ可減小模塊間的空載輸出電壓偏差，使各模塊外特性曲線的縱截距更接近，從而降低并聯電流不均衡度對諧振參數偏差的敏感度，改善正向并聯系統的均流性能。由此，可根據并聯系統的均流指標要求，定量求解λ的取值范圍，優化設計諧振參數。對于N模塊并聯系統，電流不均衡度最大的情況出現在僅有一個模塊的諧振參數和內阻均為最小值，其余N−1個模塊的諧振參數和內阻均為最大值時，多模塊正向并聯最不均衡情況的外特性曲線如圖4所示。

在Lm的值由雙向ZVS條件確定的前提下，通過減小Lr的值來獲得較大的λ值。因此，可將變壓器漏感作為Lr，在獲得較大λ值的同時可很方便地實現諧振電感和變壓器的磁集成。所提出的方法在負載突變的動態過程中，各模塊在每一時刻都能均衡地分配負載，均流不受動態過程影響。

當反向工作時，其分析過程與正向相似。

3 實驗驗證

為了證明諧振網絡優化的有效性，作者研制了三模塊并聯系統。諧振電感采用磁集成，為變壓器漏感，經諧振參數優化，模塊一的電感比λ由136.8增大至290.5。設置諧振參數偏差，諧振參數優化前后，令模塊二的3個諧振參數均比模塊一偏大約5%，令模塊三的3個諧振參數均比塊一偏小約5%。滿載條件下，功率正向傳輸時，優化前后測試結果如圖5所示。系統從輕載到滿載范圍內，負載電流和對應的最大電流不均衡度的變化曲線（輸入電壓Vin=370V，輸出電壓Vo=61.7V），如圖6所示。

該文提出的基于諧振網絡優化的多模塊LLC-DCX并機均流問題優化方法，研究了均流特性與諧振參數的關系，根據分析得到加大電感比優化諧振網絡阻抗分配，從而提高模塊均流效果，該方法不需要增加額外的控制，只有優化諧振參數，即可到達優化效果，該文中提出的方法便于在工程實踐中落地，設計中需要保證實現軟開關的條件下，電感比盡量取大值。對多機并聯系統的設計具有指導意義。