文獻筆記10---一種高效率BBLLC-LLC混合變換器

前言

新能源發電具有間歇性、不連續性、不穩定性等特點，是目前制約其發展的重要原因。而技術的發展，需要電力電子裝備具有小的體積、高的效率等特點，為了應對上述問題，寬電壓輸入范圍、全范圍軟開關的變換器是當下研究的熱點。已有學者提出了基于四開關Buck-Boost變換器與LLC-DCX變換器結合而成的Sigma變換器，也稱之為混合變換器。Buck-Boost LLC變換器通過橋臂集成和部分功率傳輸的概念，減小變換器的損耗。文章中對BBLLC-LLC變換器的原理進行了分析，給出了設計方法，并通過實驗對該拓撲進行了驗證。

傳統的寬電壓應用場景采用級聯拓撲，兩級拓撲會使用更多的開關器件，降低了變換器的功率密度。為了克服這一問題，磁集成技術被提出。文獻[2]研究了一種合并四開關無反向Buck-Boost變換器與LLC變換器的BBLLC（Buck boost LLC）混合變換器，集成過程如圖1所示。Buck-Boost級和LLC級共用一組橋臂，占空比保持在50%，因此LLC級的增益特性和效率不變。但由于其引入的電感Lb上流過了全部的輸入電流，帶來了較大的損耗，

隨著技術的發展，一種輸入串聯輸出并聯ISOP的Sigma變換器被提出，由一個LLC-DCX和一個D2D變換器組成，如示意圖2所示。

Sigma變換器其大部分電能由LLC-DCX級傳輸，實現更高的效率，小部分電能由D2D級實現調壓。文章中D2D變換器結構選擇Buck-boost LLC結構，其具有更大的調壓范圍、更寬的ZVS范圍及更高的效率，而LLC-DCX級承擔大部分功率傳輸。該拓撲在拓寬調壓范圍的前提下，實現了效率的提升，并研制了實驗樣機進行驗證。

2 BBLLC-LLC變換器的原理

該文章根據LLC-DCX變換器的優點，提出了單向BBLLC-LLC混合變換器，以滿足寬范圍、高效率的需求，電路拓撲如圖3所示。

其中，LLC-DCX變換器可以等效為一個直流變壓器，工作在開環，工作頻率為諧振頻率，保證在全電壓范圍內，變換器均能工作在最佳狀態。通過基波近似法可以得到半橋LLC的增益為

根據上式分析，在諧振頻率處，其直流增益為1，輸出電壓與輸入電壓關系僅有變壓器的變比決定。

四開關Buck-Boost與半橋LLC變換器集成，其集成橋臂S3、S4開關占空比為0.5，增益特性保持不變，而前級Buck-Boost變換器增益變為M=2D（D為開關占空比）。由此可以得到BBLLC變換器的增益表達式如下，其增益曲線如圖4所示。

BBLLC變換器前級Buck-Boost通過調節占空比來實現電壓調節，LLC級就可以工作在定頻模式，這樣變換器的磁性器件設計變得簡單，可以保證變換器工作在最佳狀態。其一個周期的工作波形如圖5所示。

圖3中，電感Lb上流過的電流由Buck-Boost變換器與LLC變換器橋臂之間的移相角p決定。對其電流進行數學建模，得到其表達式Ib為

從上式中可以得到電感Lb選取與占空比和移相角之間的關系。

3 實驗驗證

為了驗證該文中所提出的BBLLC-LLC混合變換器，作者研制了一臺輸入200~400V，輸出12V/500W的樣機，對變換器進行了測試，開關管可以實現ZVS，峰值效率可達到97.3%。變換器的理論參數見表1。

400V輸入時，開關管S1、S2及變壓器副邊ZVS波形如圖6所示。

該文基于Sigma結構，結合LLC變換器的優勢，提出了適應于寬輸入電壓、全負載范圍內能實現ZVS的高性能BBLLC-LLC混合變換器。文中對變換器的工作原理、設計方法和損耗分析等進行了講述，通過實驗驗證了理論的正確性和有效性。該方法對LLC變換器的研究及高性能變換器研究具有很好的借鑒意義，同時該變換器在實際中也有很大的使用價值。