三相交错式LLC谐振转换器设计

飞兆半导体公司

LLC串联谐振转换器(SRC)自问世以来由于其突出的性能现已成为非常流行的拓扑，其它的效率和功率密度远远优于其它DC-DC转换器拓扑。然而，因为它不包含电感输出滤波器，在输出级仅需一个电容滤波器，因而输出电容的大纹波电流是不可避免的。因此，LLC-SRC对于高电压和低电流应用最理想，比如PDP维持电源。当然，它也适用于中电压和中电流应用，如LCD电源，但必需在输出级使用许多并联的极低ESR电容器，以减少输出纹波电压，以及输出电容的电流应力。因为输出电容的大纹波电流恶化了输出电容并降低了DC-DC转换器的使用寿命，最近两相交错式LLC DC-DC转换器最新面市，可以显著地减少输出电容中的输出纹波电流。理论上，两相交错运行的输出纹波电流大约为传统转换器的1/5。然而，这不足以适用于极高电流应用，如电动汽车的功率转换器、电池充电器、伺服器电源等等。

本文提出了一种新型三相交错式LLC谐振DC-DC转换器设计。该转换器包含了三个普通LLC谐振DC-DC转换器，每个转换器分别以π/3相位差运行。因此输出电容的纹波电流得以显著减小，并且延长了转换器的使用寿命。为证实所提出转换器的有效性，本文中使用1kW (12V/84A) DC-DC转换器原型进行了试验，并展示了测试结果，其结果验证了低电压和大电流输出条件下所提方案的有效性。

所提出的电路架构：三相交错式LLC-SRC的电路图和等效单相运行的电路图如图1所示，理论波形如图2所示。两种谐振电路的组成依照负载状态：一种是无负载下由Lr、Lm、和Cr组成，另一种是重负载下由Lr和Cr组成。因此，需要对两种不同的谐振频率按以下公式进行分析：

图1: 三相交错式LLC-SRC。

品质因数Qs由以下公式导出：

(3)

这里，n=N1/N2，Zr1为fs=fr1时的特性阻抗，Ro=Vo/Io。如果开关频率低于第一个谐振频率fr1，次级整流器可以软换向，那么，反向恢复损耗可以忽略。在低电压大电流应用情况下输出电容的纹波电流ΔIc将会极高。我们假设Imax - Imin = ΔIc。那么，纹波电流的比例可按以下公式确定：

(4)

当开关频率fs = fr1，输出电流Io由以下公式导出：

(5)

即使为确保更长的使用寿命而必须抑制电容的电流应力，LLC-SRC电容纹波电流也必然会很高，因为它的输出滤波器仅包含了电容。然而，如果应用交错控制技术，就可以显著地减少LLC-SRC的输出纹波电流。当开关频率fs与第一个谐振频率fr1相同，非供电时期，即图2中的t2~t4可以被忽略。

图2:单相运作的理论波形。

在fs = fr1条件下，计算从单相到六相LLC-SRC交错运行的纹波比。其结果显示了以三相交错运行的纹波电流大约为单相运行的1/11。

实验结果和结论：为了验证三相交错式LLC谐振转换器的有效性，我们进行了实验，使用一个1kW的 三相交错式LLC谐振转换器，在其中，输入电压为400V，输出为12V/84A。我们为三相交错运行实施的控制方案如图3所示。谐振参数如表1所示。图4显示了谐振电流的波形和电容在全负载条件下的纹波电流。每相之间的相位差为60°，测量到纹波电流ΔIc为20.4A和%ΔIc 为24.3%。即使因为非供电时期以及谐振电流中的不平衡，所获得的纹波电流比与计算结果不同，但还是验证了通过交错运行可以显著地减少输出电容的纹波电流。因为对于每一转换器的负载状况，DC增益特性必然是不同的，在相位间产生了电流不平衡。因此，需要进一步研究运用相位管理功能的负载共享方法。

图3.三相交错式控制方案。

图4. 电容的谐振电流和纹波电流。

表1. 谐振参数。

本文提出了多相交错式LLC-SCR和其控制策略。因为通过交错运作可以显著地减少输出纹波电流，这尤其适合于低电压、大电流应用，比如服务器电源系统，而传统的LLC-SRC通常只适用于高电压低电流应用。通过减少电流应力，可以使用一个较小的电容并且可以延长电源的使用寿命。

本文来自《电子工程专辑》2012年3月刊，版权所有，谢绝转载。