三相CLLC谐振变换器磁集成平面变压器设计与优化

三相CLLC谐振变换器凭借其高效率、大容量、低器件应力等优势而受到广泛关注。然而,多相结构的磁性元件数量多、体积大,是制约功率变换器尺寸的主要因素。随着宽禁带(WBG)半导体器件的出现,功率变换器的开关频率显著提高,这也为印制电路板(PCB)绕组的使用提供了有利条件。与传统绕线式绕组相比,PCB绕组的扁平特性更适用于平面磁性元件。此外,由于高频带来的低电感需求也使得基于PCB绕组的平面磁性元件更有利于实现集成。该文提出一种新型的基于PCB绕组的电感和变压器的集成结构,详细分析磁心结构的磁路模型,并给出集成磁件的优化设计方法,最后通过搭建一台基于SiC器件的800 V/10 kW的实验样机进行验证。实验结果表明,该集成方案可有效减小变换器的体积和损耗,具有高功率密度和高效率。

CLLC谐振变换器同步整流软开关失效分析与应对

同步整流(SR)是提高CLLC谐振变换器运行效率的有效方法,但由于功率管寄生电容等因素的影响,同步整流存在软开关失效的风险。因此,为同时实现同步整流和软开关,在变换器副边不控整流的基础上,分析了不同运行状态下同步整流软开关的失效原因,以及软开关实现的有效范围。提出了不同运行状态下的同步整流数字控制方法,可在保证实现同步整流软开关的同时,提高同步整流的运行范围,从而保证变换器在不同运行状态下的运行效率。同时,改进了不同运行状态下同步整流开通和关断时刻的计算方法,使得同步整流的控制无需电流传感器和其他额外硬件电路的参与,可应用于原本无同步整流控制相关硬件的双向CLLC谐振变换器中。搭建了实验平台,验证了所提方法的有效性。

基于时域模型的CLLC谐振变换器参数优化设计方法

CLLC谐振变换器能够实现双向功率传输,具有高功率密度、高效率的特点,但传统的参数设计方法步骤繁琐且求解困难。为此,深入分析CLLC谐振变换器的工作原理和工作特性,综合考虑参数对CLLC谐振变换器增益、模式切换条件、软开关和功率损耗的影响,提出一种基于时域模型的参数优化设计方法,以实现宽电压输出范围和窄频带范围。在2 kW的实验中,所提出的参数设计方法在一定频带范围内效率达到98.3%,证明了时域分析的准确性以及参数优化方法的有效性。

基于时域近似法的CLLC谐振变换器参数设计

针对现行主流的基波分析法在电压增益计算时准确度较差,以及传统的谐振参数设计方法在对电池这类非阻性电源负载时存在参数难以确定的问题,提出基于时域近似法的CLLC谐振参数计算,解决了电压增益精确度和参数选取困难的问题。首先建立变换器的P、N、O等3种模态的时域方程,通过对运行时主要工作模式中PO、PN波形的简化,求出对应模式的电压增益公式,以电压增益范围和全局软开关的实现作为参数选取的约束条件,求出具体的谐振网络参数;然后利用MATLAB搭建仿真实验模型,实现全局软开关和电压增益要求,在谐振频率下工作效率均在95%以上。仿真实验结果验证了所提设计方法的可行性。

基于GaN器件的双向CLLC谐振变换器分析与设计

GaN器件具有开关速度快、导通电阻低、寄生参数小和反向恢复损耗低等优良特性,相比其他器件更有利于实现双向CLLC谐振变换器的高频率和高效率。文中基于GaN器件的特点,利用戴维南等效定理对双向CLLC谐振变换器的谐振频率进行了分析求解,并根据开关管寄生电容的充放电特性来改善软开关的实现条件,最终研制了一种基于GaN器件的双向CLLC谐振变换器。文中还搭建了额定功率为400 W的双向CLLC谐振变换器实验样机,实现了全负载范围内逆变侧的零电压开通和特定负载范围内整流侧的零电流关断,在正向模式下的最高效率可达97.02%,反向模式下的最高效率可达95.96%,最大工作频率达548 kHz,具有高频率和高效率的特点,从而验证了所分析与设计的变换器的正确性和有效性。

一种APWM结合PFM降频的CLLC谐振变换器软启动策略

为减小CLLC谐振变换器在启动阶段的谐振冲击电流,提出一种不对称脉冲宽度调制(APWM)和脉冲频率调制(PFM)降频相结合的CLLC谐振变换器软启动策略。该策略由半桥APWM、全桥APWM和PFM降频等三个阶段组成。在半桥APWM阶段,开关管S1逐步增大占空比但保持最大开关频率;在全桥APWM阶段,开关管S4逐步减小占空比但保持最大开关频率;在PFM降频阶段,各个开关管固定占空比但逐步降低开关频率至谐振频率。在CLLC谐振变换器原理样机上验证了所提方案的可行性,同时与现有的软启动方案进行对比分析,仿真和实验结果表明,所提出的软启动策略能进一步减小启动阶段谐振电流。

基于多谐波阻抗模型的CLLC谐振变换器轻载多移相控制分析与设计

CLLC谐振变换器具有双向功率传输、自然软开关、宽范围电压输出等优势,但轻载运行时,存在输出电压失调和传输效率降低等问题。文章基于多谐波阻抗模型,对CLLC谐振变换器的多移相控制进行分析,设计适用于轻载运行的双移相控制,有效解决轻载输出电压失调问题,提升轻载功率传输效率。首先,建立CLLC变换器的多谐波阻抗模型,求解多移相控制下的轻载输出电压增益与谐振电流有效值;然后,分析不同移相角对输出电压值和谐振电流值的影响,并据此设计双移相控制,实现可靠的轻载电压增益调节,同时降低轻载运行的损耗;最后,搭建一台21.5V/400V,200W的全桥CLLC谐振变换器实验样机,实验结果证明所提多谐波阻抗模型的正确性和轻载运行下双移相控制的有效性。

高效宽电压增益CLLC谐振变换器分段控制研究

提出了一种新的CLLC变换器的分段控制,解决了传统脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)和脉冲频率调制(pulse frequency modulation,PFM)存在的软开关范围窄和开关频率变化范围宽等问题。该控制策略基于LLC变换器上的分段控制,在实现软开关前提下,将其三段控制优化为两段,在高、低电压增益时分别采用PFM、对称PWM控制,可实现较大开关增益范围的窄开关频率变化范围,以及全工作区间内的原边开关器件零电压开关(ZVS);分析了针对该控制策略的参数设计、以及基于相关参数的分段区间确定方法;最后,利用MATLAB仿真验证了该方法的可行性与优越性。

基于电感比分析的CLLC谐振变换器效率优化

变压器励磁电感与原边谐振电感之比对CLLC谐振变换器有重要影响,增大电感比可以减小谐振电流,提高效率,但电感比的提升也受其他条件的限制。为了尽可能增大电感比,得到具有最高效率的CLLC变换器,该文首先通过基波分析法(first harmonic approximation,FHA)得到其直流增益表达式,在此基础上,详细分析限制电感比增大的2个主要因素:一是过大的电感比会使增益曲线在工作频率范围内呈现不单调的特性,导致变换器无法实现稳定控制,并失去零电压开关特性;二是电感比增大会使变换器最大增益减小,导致变换器无法满足电压增益要求。通过理论分析与数学推导,得到2个因素限制下的最大电感比,从而最大程度地提升变换器效率。最后,通过仿真和实验验证所提方法的有效性。

基于时域分析的CLLC谐振变换器参数优化设计

基波分析法在偏离谐振频率点时难以给出准确的增益结果,不适用于宽增益范围的应用场合。基于此问题,提出一种新的时域分析法来推导更加精确的CLLC谐振变换器增益表达式,从而指导参数优化设计。首先,分析了基波分析法存在的不足。然后,通过时域分析对不同运行模态下的CLLC变换器进行建模,推导得出更加精确的增益表达式。在满足软开关的前提下,利用推导得出的精确增益公式对电感比k及品质因数Q的取值进行了优化。该方法得到的增益公式精度高且参数设计流程简洁。最后,基于优化设计的参数,搭建了一台1 kW且满足宽增益范围输出的实验样机。仿真与实验结果均验证了时域分析的准确性与参数设计方法的可行性。

基于SiC器件车载双向全桥CLLC谐振变换器设计及其控制方法研究

针对传统的控制策略动态性能不足,电压达到稳态值较慢,受到负载切换扰动较大及SiC mosfet反向导通压降较大等缺点,提出了一种对CLLC谐振变换器的自抗扰控制策略,在无需对CLLC谐振变换器精确建模的情况下,建立扩张状态观测器和设计PD控制器,将副边设计为有源整流桥,以提升动态响应性能,降低超调量,减小超调时间,减少谐波含量,在不增加额外器件的情况下减小损耗,进一步提升变换器的功率密度,降低了二极管压降对于整流电压的不利影响,对输出电压进行参数优化.设计了一个输入为350 V,输出为300 V,功率3 kW的双向全桥CLLC谐振变换器,以罗姆公司sct3060al-e SiC mosfet的数据为例,运用该方法通过simulink对变换器进行正向、反向仿真验证.结果表明,与传统控制策略对比仿真,其超调量从3.3%降低至1.6%,且超调时间更短,系统谐波含量更少.验证了对于CLLC谐振变换器采用自抗扰控制相比于传统控制策略具有超调量小、调节时间短、输出电能质量好的优点.

CLLC谐振变换器变频+间歇Bang-Bang电荷混合控制策略研究

以LLC为代表的DC/DC串联谐振变换器对效率有着较高的要求,往往需要在宽电压范围内实现软开关特性,并且能够在宽负载条件下工作。然而,当变换器负载较轻时不可避免地会出现增益失真,导致输出电压升高,损耗增加,效率降低。针对CLLC型谐振变换器轻载电压漂高和效率损耗现象,提出一种变频PFM调制+间歇BBCC的混合控制策略。在变换器正常工作时,采用PFM调制进行变频控制,在变换器处于轻载运行时,采用间歇模式的Bang-Bang电荷控制(BBCC)。仿真结果表明,文中提出的控制策略可以有效抑制CLLC型DC-DC串联谐振变换器轻载运行时电压漂高,减小功率损耗,提高轻载工作效率,实现全负载范围内稳定高效运行。

CLLC谐振变换器调频-扩展移相控制研究

CLLC谐振变换器因其可实现软开关、功率密度高、调压范围大等优点受到广泛关注,但其传统的控制方法存在开关频率变化大、软开关实现范围窄的不足,导致CLLC变换器效率和功率密度的进一步提高受限。针对上述问题,提出一种CLLC变换器的新型调频−扩展移相控制方法,将控制分为两段并给出了分段的边界条件,通过移相控制缩短了开关频率变化范围,通过增加原边和副边桥的移相角增大了软开关范围。基于基波模型分析了变换器的增益模型和软开关临界条件,并基于MATLAB进行多种控制方法下的对比试验,验证了所提控制方法的正确性和有效性。

双向全桥CLLC谐振式DC-DC变换器的研究

蓄电池及充放电技术是新能源汽车的核心技术之一,应用在车网互动中的双向DC-DC变换器日益成为新能源汽车行业的研究重点。本文设计一种新能源汽车用新型双向全桥CLLC谐振式DC-DC变换器,提出一种基于PID控制器的电压电流双闭环控制系统,形成谐振型双向全桥DC-DC变换器,以拓宽ZVS范围,降低关断损耗,实现能量的双向流动与完全的软开关化,提高能量利用率。

基于CLLC谐振变换器的三级电源变换器单元设计

三级电源变换器因其具备丰富特性而备受青睐。介绍了一种单相三级电源变换器单元的主要设计过程,包括独立控制的输入整流器、中间隔离CLLC谐振变换器以及输出逆变器三个模块。整流及逆变模块均引入比例谐振控制,采用单极性倍频调制。CLLC谐振变换器高频工作实现了开关管的软开关。在Matlab/Simulink中搭建各个模块并集成为单元,进行了输入和输出电压均为220 VAC,隔离级直流电压500~400 V,传输功率为5 kW的仿真验证,可行性良好。这为后续进行单元级联仿真以满足不同应用场景的需要和用碳化硅器件进行单元样机的研制奠定了基础。

CLLC双向谐振变换器电感–变压器矩阵式一体化集成与优化设计

文中提出CLLC双向谐振变换器高频谐振电感–变压器一体化磁集成结构。采用矩阵式磁芯结构和非对称绕组结构设计,仅通过一个磁件即实现了双向CLLC谐振变换器中原边高频谐振电感、副边谐振电感和高频隔离变压器的集成,且利用矩阵式磁芯结构布局,实现了磁板中高频磁通抵消和磁通均匀分布,有效降低了磁件体积和损耗。文中详细分析所提出的矩阵式集成功率磁件的磁路模型,并给出集成功率磁件的优化设计方法,最后通过有限元仿真和样机实验证明所提出的电感–变压器一体化集成方案的可行性和有效性。

低电流纹波双向CLLC变换器的研究

为解决LLC电路通常需要大电容滤波的问题,提出了一种基于星型连接的三相型双向CLLC谐振变换器。一方面该变换器在正反两种运行状态时都能实现软开关;另一方面,由于该变换器的输出电流纹波更小,可以减少电路的输出电容。同时也对变换器的模型进行了分析,给出了系统的增益曲线。最后搭建仿真模型和制作一台2 kW实验样机,仿真和实验结果都验证了所提变换器的可行性和有效性。

用于车载充电的双向CLLC变换器设计

为拓宽车载充电机(on⁃board charger,OBC)双向充放电工作范围并提高充电效率,用PFC(power factor correction)级联高效CLLC(电容-电感-电感-电容)谐振拓扑实现电网电压与电池电压之间能量双向转换。同时为解决CLLC谐振拓扑在宽范围工作时参数设计困难的问题,提出一种参数设计及优化方法,采用基波分析法(fundamental harmonic analysis,FHA)对谐振网络建模,推导充放电增益的归一化方程,提取出影响谐振变换器增益和效率的关键参数,对比分析关键参数的变化对拓扑各项性能的影响规律,进而总结参数的设计及优化原则。结果表明:影响谐振变换器双向运行最重要的参数是匝数比和谐振电容,其中变压器匝数比主要影响CLLC变换器的充放电效率,谐振电容值影响充放电宽范围输出的最佳工作区,通过分析给出了双向传输功率同等级时匝数比和谐振电容的最佳取值范围。应用CLLC拓扑,双向车载充电机可实现双向超宽范围运行,整机充电效率最高可达94.5%,CLLC效率可达97.5%。

基于GaN FET的1 MHz多路CLLC双向直流变换器

基于双向CLLC拓扑提出了一种采用氮化镓场效应晶体管(GaN FET)和平面磁集成技术的1 MHz半桥型高增益Multi-CLLC谐振变换器。该拓扑具有双向高增益特性和较高的功率密度,适用于分布式储能系统。分析了该变换器的工作原理、拓扑特点和参数设计方法。采用了平面磁集成技术,并提出了绕线及漏感分布改进方法。实验室研制了400 W样机,用于验证理论分析和参数设计的正确性,样机实现了最高92%的工作效率。

面向城市灵活供电的高频隔离双向DC/DC变换器的启动分析与优化

高频隔离双向DC/DC变流器是基于直流配电的城市灵活供电系统的重要枢纽设备。CLLC变换器作为典型的拓扑,具有效率高、功率对称性强等优点,但由于其启动过程较为复杂,接入直流配电系统时需要进行分析与优化。针对CLLC启动时可能直接接入直流母线,或带电阻型、电容型负载等工况,首先对已有的软启动方法进行了研究,然后针对现有方法存在的问题提出了一种不对称改变占空比的新软启动方法,最后通过Matlab/Simulink对不同软启动方法进行对比。仿真结果表明,所提方法能有效抑制启动瞬间的电流尖峰,避免了由寄生电容充放电引起的谐振电流高频波动,且始终保证整流侧一半的二极管实现ZCS关断。所提方法具有工作模态简单、容易实现的优点,可有效指导工程实践。