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摘要：近年来随着电动汽车的迅猛发展，各种各样的电力变换器充电设备也应运而生。车载充电机中PFC后级的DC/DC作为将电压转化为适合给电池充电的重要变换器设备，因此也成为国内外研究学者和工程师的研究方面[1-5]。本文针对车载充电机中谐振变换器的一般要求，采样基波分析法对LLC谐振变换器的特点进行分析，提出了一种可循的谐振参数设计流程，以达到在输入宽电压范围下满载运行时的高效率目标。另外，根据LLC运行模式分布情况分析了关键参数对变换器的影响，实现了以整个充电过程中双边处于软开关状态的目标，搭建了电路仿真模型进行验证。通过仿真的数据结果证明了本文所研究方法的有效性和准确性。

关键词：车载充电机;谐振变换器;宽电压范围;软开关;

引言

LLC谐振变换器结构简单，因其具有高效、高功率密度、低EMI等优点而被广泛地用于车载充电机。在负载范围内谐振变换器的原边侧开关管可以实现零电压导通（ZVS），副边侧整流二极管可以实现零电流关断（ZCS）。为了满足车载充电机的宽电压需求，谐振变换器在宽频率变化范围内调节输出电压。然而，工作频率范围越宽越不利于磁性器件的优化设计，使得变压器等磁性器件体积增加而降低了系统功率密度。特别是当开关频率小于谐振频率时，谐振变换器的原边侧电路存在较大的循环电流而产生严重的环流损耗;当开关频率大于谐振频率时，谐振变换器的副边侧整流二极管失去ZCS特性;当开关频率等于谐振频率时，原边侧循环电流最低，转换效率最高，但输出电压为定值。基于上述特点，当谐振变换器用于车载充电机等宽电压的应用中时。传统的LLC谐振参数设计方法在面对非阻性有源负载时存在不足，因此应该以恒定最大功率充电曲线上变换器运行状态接近ZVS/ZCS边界作为额定负载设计点进行参数设计优化。

1、基于基波分析法的LLC谐振变换器的特性分析

基波分析法是以假设电路中只有电压和电流的一次谐波起作用来进行分析，那么通过各谐振元器件的波形可认为是纯正弦波，谐振电路的特性分析就可以用交流电路理论分析，不用关注每个谐振周期内的具体运行过程。

1.1 电路拓扑

LLC谐振变换器电路拓扑如图1-1所示，原副边均采用全桥式以满足功率等级较高的车载充电机。谐振槽由谐振电容Cr、谐振电感Lr以及变压器励磁电感Lm构成。原边由S1和S4、S2和S3互补导通的功率Mosfet器件组成，副边整流侧由D1、D2、D3、D4整流二极管组成，输出经过由Co、Lf组成的低通滤波电路后给电池组充电。

1.2 基于基波分析的等效电路

直流源经过全桥高频逆变后，在桥臂中点的A、B点间产生幅值为Vin的方波电压施加在谐振槽的输入端，同时将负载折算至不控整流输入端，然后按照变压器变比反射到变压器原边，这样就可以得到如图1-2所示的谐振变换器的基波等效电路。

1.3 LLC的基本特性分析

副边反射至原边的等效电路表达式为：

式中，n、、分别表示变压器变比、输出电压及输出功率。

通过图1-2基波等效电路可以的出LLC变换器的直流电压增益函数表达式为：

当空载或变压器副边不足以整流桥导通时，这时存在一个三元器件谐振的频率，即谐振电感Lr与励磁电感Lm、Cr发生谐振，对应的谐振频率表达式为：

由表达式（1-2）可以看出，LLC谐振变换器的电压增益包含三个自变量，其中开关频率和品质因数Q代表运行条件，l电感比值属于设计参数。若将设计参数l设计为0.2可以得到如图1-3所示的增益曲线。

通过增益曲线可以得出LLC如下特性：

（1）在相同开关频率下，随着负载变重即Q值增大变换器的增益逐渐减小，特别是当开关频率偏移谐振频率越远，增益下降的越明显。

（2）当开关频率等于谐振频率时，所有曲线都在该谐振频率点交汇，且电压增益为1，也就是此时增益不受负载任何影响。

（3）当标幺频率时变换器工作于超谐振区域，此时变换器处于降压模式;当标幺频率时变换器工作于次谐振区域，此时变换器处于升压模式。

将式（1-2）中的品质因数Q设为0.6，讨论电感比值l对变换器的影响，得到不同电感比值l的增益曲线如图1-4所示。

从图1-4可以看出不同电感比值l对变换器特性的影响：

（1）在谐振频率处变换器始终保持单位增益，电感比值l的变化对其无影响。

（2）电感比值l越大，增益M对开关频率变化越敏感。

（3）在超谐振区电感比值l越大，增益M越小;在次谐振区增益M随着电感比值l增大而增大。

由此可知： 电感比值l越大更有利于在窄频率范围内获得更大的电压增益，同时也意味着变压器励磁电流将会增大，那么将会增加系统的无功循环。因此谐振变换器参数设计及优化的本质是：在满足电压增益和实现软开关的条件下，最大减小系统的导通损耗。

另外，实现谐振变换器软开关状态的关键在于确保谐振槽路的输入阻抗呈感性，通过关系表达式求出谐振槽输入阻抗介于感性和容性的边界条件，可以得到ZVS/ZCS边界的电压增益表达式：

当电感比值l为0.2时，在图1-3画出ZVS/ZCS的边界增益曲线。这样标幺频率和ZVS/ZCS的边界将图1-3划分为三个区域：ZVS区域1、ZVS区域2和ZCS区域。总的来讲，设计目标是确保变换器空载至满载都运行在ZVS区域内，理论上LLC变换器可实现原边的ZVS和副边整流管的ZCS运行。

2、 车载充电机LLC参数设计

基于上述谐振变换器特性的分析，现将参数设计步骤归纳如下：

（1）根据所需设计规格中输入最小电压及输出最小电压，确定谐振变压器的匝比：

（2）确定最小电压增益：

（3）由最小电压增益确定电感比值：

（4）计算出满载最恶劣工况下所对应的电压增益及最大阻抗：

（5）满载最恶劣工况运行点对应的输入和输出电流：

（6）确定励磁电感：

（7）判断上式计算的励磁电感是否满足条件，若不满足减小最大运行标幺频率返回（2）重新设计，判断条件：

（8）计算其他谐振参数：

（9）计算特征阻抗是否满足要求：

（10）确定最低运行频率：

由此可见，谐振参数的设计是一个反复多次调整的过程，每一步都影响变换器的性能。

3.仿真验证

为进一步验证上述分析的准确性和所提出设计流程的有效性，利用MATLAB/Simulink软件搭建了LLC谐振电路的仿真模型。

所仿真的变换器主要指标：输入电压范围为390-420V，额定输入电压为400V，输出电压范围为：250-450V，最大输出功率为3.3KW，谐振频率为150KHz，最大运行频率为220KHz。变压器变比为1.56，谐振电容为43nF，谐振电感为27uH，励磁 电感为140uH，最大特征阻抗为25Ω。

在给定的谐振参数下，开关频率工作于谐振频率点150KHz时，图3-1是逆变器输入的桥臂中点电压Uab、其中谐振电流iLr呈正弦波、励磁电流iLm不参与谐振。图3-2是副边整流后输出的电压和电流波形。

据仿真可知，此时谐振变换器的原边实现了零电压开通，同时副边整流二极管实现了零电流关断，且谐振变换器输出电压稳定满载运行。实现了充电过程中双边处于软开关状态的目标，即效率最大化。

结束语

本文分析了LLC谐振变换器的特性，并利用基波分析法详细解析了主要参数对变换器性能的影响，最后提出了一种可循的谐振参数设计流程。通过仿真数据验证了所提出方法的可行性及准确性，证明了该分析法及参数设计流程能够满足车载充电机效率最优的设计要求。

参考文献

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[2]张相军，刘冠男，王懿杰，等.软开关双向DC-DC变换器控制模型[J].电机与控制学报，2013，17（11）：89-96.

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