基于全耦合电感器的交错并联LLC谐振变换器均流特性研究
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LLC谐振变换器可以在宽负载范围内实现原边侧开关管的零电压开通（Zero Voltage Switching，ZVS）和副边侧整流管的零电流关断（Zero Current Switching，ZCS），因而可以大大提高变换器的效率，具有广泛的应用前景[1-3]。但是在大功率应用场合中，为了减小开关管的电流应力、降低开关管的功率损耗，多相LLC谐振变换器被广泛地研究和应用[4,5]。在多相LLC谐振变换器中，为了维持LLC谐振变换器工作的稳定性，多相LLC谐振变换器各相间电流的分布必须均衡。由于LLC 谐振变换器的增益对谐振元件的参数非常敏感，即使各相间的谐振元件参数有很小的差异，也会导致各相间的电流有很大的偏差。实际电路中由于制作工艺的限制，因此各相间的谐振参数偏差不可避免，这将会导致多相LLC谐振变换器相与相间的电流分布不均衡，甚至会出现某一相轻载而另外相过载的现象。因此多相LLC谐振变换器中均流技术的研究是必不可少的。 针对多相LLC谐振变换器的均流问题，学者们提出了许多方案，这些方案所采用的策略可以分为移相变频控制均流、有源控制均流、自动均流。 移相变频控制均流策略[6-9]通过检测各相负载电流的大小，调节一次侧开关管的开关频率和移相角，从而达到较好的均流效果，但是该均流策略的弊端也是十分明显的，一方面控制方法十分复杂，另一方面该方案难以解决变换器的动态稳定性问题。 有源控制均流策略[10,11]通过在电路中增加开关控制电容器 (SCC，Switch-Controlled Capacitor)或者开关控制电感器(SCI，Switch-Controlled Inductor)，调节开关频率来调节等效谐振电感或者等效谐振电容来补偿谐振参数的偏差，从而达到均流的目的。但是这种方案不仅增加了电路元件而且还具有和移相变频控制均流策略相同的缺点。 自动均流方法可以在不增加额外的检测电路和控制策略的情况下实现均流。文献[12]介绍了一种输入串联输出并联(ISOP, Input-Series Output-Parallel)的LLC谐振变换器拓扑。通过在变换器的各相谐振腔增加并联电容器，实现了较好的均流效果，但是该拓扑不易向更多相扩展，且随着串联相数的增加，每一相的输入电压不断下降。文献[13]提出谐振电容共用、谐振电感器耦合的方法，可以实现自动均流，但是仿真结果显示在5%谐振参数误差的情况下，谐振电流误差为6.1%，还可以进一步改进。文献[14]提出了一种谐振电感耦合器磁集成的自动均流方法，并通过仿真的方法得出使均流效果最佳的耦合系数，然而各相谐振电感器的耦合显然会使变换器工作的谐振点发生变化，从而影响变换器的工作运行状态和效率。 本文提出一种基于全耦合电感器的自动均流方法。该方法通过增加一个全耦合电感器，在谐振元件误差达到10%的情况下谐振电流误差小于0.69%且全耦合电感器不参与谐振，仅起到平衡电流的作用。由于所增加的全耦合电感器磁通较低，磁芯损耗较小，仍然满足变换器的高效性。本文首先建立了基于耦合电感器的谐振回路交流等效电路模型，利用基波分析法(FHA, Fundamental Harmonic Approximation)分析了耦合电感器的耦合度对变换器增益和均流效果的影响，以及耦合电感器的电感量对均流效果的影响。然后给出了变换器谐振参数在-10%~ 10%偏差情况下的谐振电流和输出电流仿真波形。最后搭建了一台输入48V、输出400V/1000W的实验样机，结合仿真和测试验证了分析的正确性和所提方法的有效性。 |
