详解LLC变换器的宽范围应用

今天就主要想谈一下自己对于LLC变换器宽范围应用的一些简单认识，希望通过这篇文章大家可以清楚为什么需要宽范围应用？宽范围应用时存在什么样的问题？解决宽范围应用都有什么样的思路？由于篇幅和时间原因，可能主要针对其中一类比较典型的方案进行具体的讲解，对于其它类型可能在之后会去具体分析。

（一）为什么需要宽范围应用？

首先就是为什么需要宽范围应用。宽范围是指宽输入或者宽输出电压范围， 不同的应用场合对于变换器输入电压和输出电压的范围都有一定的要求。这里我可以简单列举几种比较典型的应用场合输入或者输出电压的要求。

1、数据中心电源

对于应用数据中心的服务器电源来说，总是希望它能够在全范围的交流输入电压范围内（90 V-264 V）均可以工作。通常来说，数据中心电源会采用两级结构，即前级的Boost PFC加上后级的LLC DC/DC，前级PFC的输出电压即后级LLC的输入电压稳定在400 V左右。但是当交流断电的时候，即交流电压下降，这个时候我们仍然希望电源模块可以保证一定时间的正常工作（20毫秒左右）以便于储存重要数据。那么这个时候LLC的输入电压变化范围就会变宽（200V-400 V左右）如图1所示。那么在这个应用场合下，LLC变换器便需要工作在宽输入电压范围下以满足hold-up的要求。值得一提的是，这种应用场合下由于时间工作比较短，可以牺牲hold-up期间变换器的效率。

图一、Hold-up要求下输入电压示意图 【1】

2、车载充电机

车载充电机（on-board battery charger）也是宽范围的一种典型应用。对于锂电池来说，单个锂电池的电压范围为2.5 V-4.2 V，那么一百个锂电池单元组成的电池包的电压范围便是250 V-420 V如图2所示。那么，对于OBC来说，则要求变换器能够在宽输出电压范围内高效运行。

图二、车载充电机输出电压范围【2】

3、新能源

对于新能源如光伏，它的电压波动范围较大，因此对于它所连接的DC/DC变换器具有宽输入电压范围的要求。图三是一款商用的光伏逆变器的技术指标，可以看出来它要求输入电压的变化范围为18 V-58 V，也就是电压增益达到三倍以上，因此，光伏以及燃料电池等新能源应用可以看做是宽输入电压范围的一种应用。

图三、商用光伏逆变器指标【3】

通过以上三种典型的宽范围应用，我们可以看出在某些应用场合下，宽范围是必不可少的，所以对于宽范围应用LLC变换器的研究也有着重要的意义。接下来，我们继续探讨传统LLC变换器在宽范围下存在的一些问题。

（二）宽范围应用存在的问题？

众所周知，对于LLC谐振变换器来说，它的最大效率工作点在谐振点附近，即当开关频率接近于谐振频率时。但是当LLC变换器应用在宽范围场合下时，它的工作点就会发生较大偏移，从而导致效率下降。与此同时，为了能够让变换器满足最大增益的要求，我们必须选取较小的励磁电感，虽然较小的励磁电感可以提高变换器的增益（如图四所示），但是它同时也增加了电路里电流的大小，从而增加变换器的导通损耗。除此之外，宽范围应用时，变换器需要在较宽的开关频率范围下满足增益要求，宽范围频率工作对于磁性元器件的设计和优化具有一定的挑战性，而且变换器的EMI性能也会下降。

图四、励磁电感对电压增益的影响【4】

（三）如何解决宽范围存在的问题？

通过上一部分的分析，我们可以得到要想解决宽范围的问题，那么本质上我们就是要解决它的频率变化范围宽的问题，想办法减小它的频率变化范围，让它工作在谐振工作点附近，还有就是能够在选取较大励磁电感的同时满足变换器增益要求。根据已有的文献，我们可以做它的解决思路进行分类，如图五所示。

图五、宽范围LLC解决思路

1）基于时域的分析设计

传统的基波分析法在对LLC变换器进行分析设计时存在较大的误差。图六所示便是通过基波分析法得到的电压增益曲线和通过时域分析法得到的曲线的对比。可以看出来，当采用频域分析方法时，变换器的电压增益小于实际变换器的增益。所以，如果采用频域的设计方法，它将是一种保守的设计方法，变换器的增益并没有充分利用。如果我们可以采用精确的时域分析方法，那么我们便可以充分利用变换器的增益能力，从而在同等条件下拓宽它所使用的的范围。总的来说，基于时域的分析设计方法可以拓宽变换器的增益范围，但是它的拓宽能力有限。

图六、频域和时域分析方法的对比【5】

2）基于传统LLC变换器的多模态工作

在所有宽范围LLC的应用中，我自己最推荐的就是这一类，因为它不需要增加任何的元器件，仅仅基于传统的LLC变换器并在开关时序上稍作调整便可以实现在较宽的范围内工作。这里我们可以简单以全桥LLC变换器为例，简单介绍下它的原理。图七所示为全桥变换器拓扑，当它工作在全桥模式下时，它的开关管工作时序如图八所示。当我们将开关管的时序变成图九所示时，LLC变换器便工作在半桥模式。相较于全桥工作模式，半桥模式下的增益可以减小一半。

图七、全桥LLC变换器拓扑

图八、全桥工作模式下的开关时序图

图九、半桥工作模式下的开关时序图

图十便是它在宽输入电压范围下的应用，当输入电压较低时，需要较高的电压增益，那么便可以控制变换器工作在全桥模式下（红色曲线所示）。随着输入电压增加，变压器需要增益减小，那么我们便可以控制变换器工作在半桥模式下（蓝色曲线），这样LLC变换器便可以工作在很宽的范围（100 V-400 V）。但是这类方法存在的问题便是模态切换，当变换器从一个模态切换到另外一种模态时，由于两种模态下开关频率差距很大，会使电路电压和电流产生较大的波动（如图十一所示），从而影响性能。因此，需要一种软切换的方法来解决动态切换问题。

图十、两种工作模式的全桥LLC变换器【6】

图十一、模态切换时存在的问题【6】

除了全桥LLC变换器，堆叠式的LLC变换器也可以实现两种工作模式运行，这里就不做介绍了。总的来说这种方法即可以拓宽变换器的电压增益范围，又不增加元器件、成本和体积。

3）基于改进的LLC变换器的多模态工作

在上一种方法的基础上，有些文献又引入了新的元器件来继续提高变换器性能。图十二便是其中一种，通过引入双向开关管和两个变压器，当双向开关管闭合时，变压器T2被短路点，此时电路的励磁电感为Lm1；当双向开关管断开时，变压器T1和T2串联连接，此时的等效励磁电感便是（Lm1+Lm2）。可以看出除了通过改变全桥的工作模态以外，变压器的励磁电感也可以改变，从而可以进一步提高变换器性能。但是这类方法引入了较多的元器件，增加了体积和成本。

图十二、基于改进LLC变换器的拓扑【7】

4）变变压器匝比

变压器的好处在于它能够实现升降压，如果变压器的匝比可变，那么变换器的增益范围就会拓宽。图十三所示便是采用变变压器匝比的LLC拓扑。可以看出，变压器副边存在多个绕组以及开关管。显然，当S5和S6都导通时变压器匝比为（n2+n3）/n1；当仅有S5导通时，变压器匝比为n2/n1,；当仅有S6导通时，变压器匝比为n3/n1。因此，通过合理设计变压器原副边匝数，可以改变变压器的匝比从而拓宽变换器增益。

图十三、可调变压器匝比拓扑【8】

5）多电平LLC变换器

LLC变换器的原边就是一个逆变器，如果我们引入多电平逆变器结构，那么LLC变换器便可以在较宽范围内工作，而且可以采用PWM控制技术从而实现定频工作。图十四所示便是基于NPC的三电平LLC变换器的拓扑，它的典型工作波形如图十五所示。多电平LLC变换器存在的问题和多电平逆变器一样，就是如何保证电容电压均衡。

图十四、基于NPC的三电平LLC拓扑【9】

图十五、典型工作波形【9】

6）基于副边整流单元的多模态工作

除了基于原边的多模态工作以外，还有基于副边整流的多模态工作。图十六便是一种存在两种模态的副边整流单元，当开关管关断时，该单元为全桥整流单元；当开关管闭合时，该单元为被压整流单元。这样通过控制开关管的开通和关断，便可以调节变换器的增益。除了简单的被压整流外，还有各种多倍的整流单元从而进一步拓宽增益范围。

图十六、基于副边多模态的拓扑【10】

7）混合式

混合式就比较好理解了，当我们把之前的技术通过任意组合的方式结合在一起，便可以得到混合式的宽范围LLC拓扑，但是由于拓扑的复杂性，在实际中的应用价值较低，系统的拓扑以及控制复杂度都很高。图十七所示便是一种典型的混合方式。首先Q1的引入使得原边逆变器既可以工作在全桥模式又可以工作在对称半桥模式。然后副边开关管S5以及副边多绕组的引入又可以使得变换器能够调节变压器等效匝比，从而进一步拓宽电压范围。

图十七、混合式宽范围LLC拓扑【11】

讲到这里，基本上就把我想讲的关于宽范围LLC的应用讲完了。希望大家看完之后能够清楚这三个问题：1、为什么需要宽范围？2、宽范围存在什么问题？3、宽范围有什么解决思路？其次呢，我觉得通过这篇文章的分析，大家也应该清晰为什么会有这些宽范围的LLC拓扑，它们的构建思路是什么，甚至大家也可以很简单的搭建属于自己的宽范围LLC的拓扑，比如通过我们所描述的组合式，大家可以通过分析，然后结合所述的宽范围技术，产生一个全新的拓扑，然后具有更好的性能。后面如果有时间可以主要讲一讲我最推荐的基于传统LLC变换器模态切换的具体细节，它的问题以及如何解决这个问题。