北京交通大学科研团队提出LLC谐振变换器的改进型电流解析方法-- 迪族网

北京交通大学科研团队提出LLC谐振变换器的改进型电流解析方法

来源：电气技术　2022-02-28 08:40:44

在LLC谐振变换器中，对谐振电流的精确解析可以实现变换器的损耗计算。北京交通大学电气工程学院的研究人员焦健、郭希铮等，在2021年第23期《电工技术学报》上撰文，基于谐振电流近似拟合法提出一种改进型LLC谐振变换器电流解析方法，分析死区时间内的开关管结电容充放电过程、谐振电流的变化过程，通过对表达式中初始值的计算方法进行修正，该方法计算得到的谐振电流在死区时间内的变化情况更加准确。

仿真结果表明，所提出的改进解析式相比原有的方法，在死区时间范围内可以准确描述谐振电流变化过程，相较于其他方法获得的初始值和励磁电流峰值，所提出方法的计算结果误差更小。实验结果进一步证明该文所提出的谐振电流解析方法的有效性和正确性。

LLC谐振变换器具有一系列优良性能：实现一次侧开关管零电压开通和二次侧整流桥二极管的零电流关断；一次侧和二次侧实现电气隔离；宽范围的电压调节性能，既能实现升压，也能实现降压等，在轨道交通牵引电力电子变压器、新能源汽车充电装置、服务器电源及其他工业电源等场合得到广泛应用。

LLC谐振变换器的效率提升和参数优化设计是当前一个重要研究方向，有学者通过改进变换器拓扑结构、设计最优参数、优化控制方法等方面提升了LLC谐振变换器的效率。

在LLC谐振变换器的参数设计过程中，不仅需要考虑变换器的总损耗，而且需要通过变换器各部分电流的具体变化情况对开关器件和其他部件进行合理选型。利用仿真软件直接计算损耗存在计算量大、费时等缺点，而通过电流解析表达式结合变换器的损耗模型计算损耗的方法则具有计算速度快的优势。

另外，通过利用电流解析表达式和系统损耗模型对不同参数条件下的变换器的损耗进行计算和比较，可以对变换器参数进行最优设计，而利用仿真软件直接计算损耗则不利于大规模的参数选取和变换器参数优化设计。所以对LLC谐振变换器的谐振电流进行精确解析是十分必要的。

现有文献中对谐振电流的解析式计算主要包括两大类：

第一类是列写谐振电流和谐振电感电压的微分方程，通过求解微分方程的方法，直接计算出谐振电流和谐振电感电压的表达式。

有学者通过时间分段，列写电流、电压微分方程，然后求解微分方程，得到比较精确的相关变量解析表达式。但是该方法的准确性易受到参数变化的影响，并且方程式中包含的三角函数较多，计算量较大。该方法的准确性依赖于初始值求解的准确性，当求解初值不正确时会导致分段函数不连续，从而不能准确描述谐振电流的变化过程。

有学者采用了列写LLC微分方程的方法求解谐振电流，除了最终电流表达式比较繁琐外，为了简化分析过程，这些方法没有进一步对死区时间内谐振电流的变化情况做出分析。

第二类是在不同时间段上直接分析和求解谐振电流解析式的方法，也称为电流近似拟合法。

有学者将励磁电流近似等效为三角波，假设其在前后半周期中分别保持斜率不变，将二次侧整流桥二极管的波形近似等效为正弦电流，通过叠加折算到一次侧的整流桥二极管电流和励磁电流得到谐振电流。该方法的问题在于，没有考虑LC两谐振阶段和LLC三谐振阶段的励磁电流斜率变化，并且没有考虑死区时间对谐振电流和励磁电流产生的影响。

有学者在此基础上，采取分段解析法，进一步考虑不同谐振阶段励磁电流斜率的变化，但是该方法仅考虑励磁电流和谐振电流在死区时间内保持不变，没有考虑开关管结电容的充放电过程对励磁电流、谐振电流的影响，对死区时间和结电容充放电时间没有做出区分，这样会对LLC软开关的分析和体二极管损耗计算的准确性产生影响。有学者比较了频域分析法和时域分段解析法对LLC变换器增益和参数设计的影响，为了简化分析，该学者在研究中忽略了死区时间的作用。

北京交通大学电气工程学院的研究人员提出一种LLC谐振变换器的改进型电流解析方法。在现有谐振电流近似拟合法的基础上，他们进一步考虑了死区时间内开关管结电容的充放电过程，结合开关管结电容的电压变化，对死区时间内谐振电流和励磁电流的变化进行精确分析，得到死区时间内的谐振电流和励磁电流的准确表达式。

图1 LLC谐振变换器实验平台

研究人员结合其他时间段的电流表达式，得到完整的谐振电流和励磁电流的解析式，并且基于该解析式对关键时刻初始值和其他常数进行了详细的分析计算。通过与仿真结果、其他电流拟合方法进行对比，可以得到，所提出的改进型电流解析式能更准确地描述死区时间内谐振电流的变化情况，其与仿真结果的误差比其他电流解析方法与仿真结果的误差更小。

实验结果表明，本电流解析方法得到的谐振电流与实验中的谐振电流比较接近，误差较小，进一步说明该改进型电流解析式可以准确计算实际LLC谐振变换器的谐振电流值。

本文编自2021年第23期《电工技术学报》，论文标题为“LLC谐振变换器的改进型电流解析方法”，作者为焦健、郭希铮等。

关键词：谐振电流励磁电流微分方程

推荐DIY文章