西安科技大学等单位赵永秀、刘泽伟 等：变模态倍压型LLC谐振变换器多目标参数优化

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LLC变换器基波分析法忽略高次谐波，在宽输出电压场合下精度低，对此，本文深入分析变模态倍压型LLC谐振变换器工作模式，基于时域分析提出一种多目标参数优化设计方法，实现全范围内软开关，为宽范围LLC变换器参数设计提供了新思路。

研究背景

随着国家“双碳”目标的提出，新能源领域得到快速发展，交通电气化发展将“锂”推向了高潮。锂电池使用过程中，端电压下降，在深度睡眠状态下电压更低，且充电过程中，随着电池荷电状态的改变，其端电压也会发生改变。为适应待充电锂电池的电压范围，充电器后级DC/DC变换器应具备宽范围电压输出能力，同时还应确保变换器具有较高的充电效率。

论文所解决的问题及意义

锂电池使用过程中端电压浮动较大，为适应待充电锂电池的电压范围，充电器后级LLC变换器应具备宽范围电压输出能力及高效率。LLC谐振变换器传统分析方法在宽范围工作条件下增益偏差较大，因此为保证锂电池高效率充电，需对LLC变换器拓扑进行优化及精确的时域模型参数设计。

论文方法及创新点

1. 变模态倍压型LLC谐振变换器拓扑

图1 变模态倍压型LLC谐振变换器电路拓扑

前级为交错并联的双谐振腔结构，后级采用倍压整流结构。同等级输出电压时，倍压整流结构可有效降低变压器二次侧绕组匝数，减小变压器寄生电容高频时LLC谐振变换器增益的影响，高频轻载时有效减小电压“飘升”现象，输出更低的电压，拓宽输出电压范围。通过变模态策略，使变换器可以工作在半桥模态和双半桥模态运行，变换器电压输出范围为两模式输出电压范围的合集，拓宽了变换器输出电压范围。

2. 基于时域分析的多目标参数优化

图2 时域分析参数设计优化区域

通过模式边界、谐振电容最值和ZVS的多目标约束条件，得到多目标参数优化区域。从优化区域选取Cr、K参数，可以保证用较小循环无功实现最苛刻工况下的增益要求和ZVS运行，保证变换器在全范围内高效率。

图3 时域分析参数设计流程图

3. 实验结果

所设计变换器在不同工况下均能实现ZVS，验证了理论分析的正确性。

(a) 轻载电压电流波形 (b) ZVS验证波形

图4 Vi=220V、Io=2A、Vo=20V、fs=115kHz(轻载)

条件下得到的稳态电压、电流波形

(a) 重载电压电流波形 (b) ZVS验证波形

图5 Vi=220V、Io=6A、Vo=84V、fs=62kHz(重载)

条件下得到的稳态电压、电流波形

所提出的时域分析下参数优化设计方法保证电压增益下，效率较基波分析法得到显著提升。

图6 效率对比图

结论

针对宽范围输出电压应用场合下基波分析法存在误差大、精度低等问题，提出了一种变模态倍压型LLC谐振变换器的多目标参数优化设计方法。得出以下主要结论：

1)为确保开关管的ZVS和整流管的ZCS，同时满足电压增益，对变换器工作模式的运行条件及特点进行分析研究，确立PO模式是LLC谐振变换器最佳工作模式。

2)对LLC谐振变换器PO模式进行时域分析，列写状态变量方程并求解，得到LLC谐振变换器PO模式完全时域解。

3) 通过模式边界、谐振电容最值和ZVS的多目标约束条件，得出基于时域分析的多目标参数优化区域，确定一组变换器最优参数，实现变换器增益要求和ZVS运行条件，满足变换器全范围内高效率。

团队介绍

西安科技大学电力电子团队依托西安市电气设备状态监测与供电安全重点实验室，长期致力于高功率密度、高效率电源的技术研究工作，主要从事高频功率变换器设计与控制、无线电能传输技术、爆炸性环境本质安全电路等方向的科研工作。承担国家重点研发计划、国家自然科学青年基金、省教育厅专项计划项目和校级培育基金项目4项；参与了国家自然科学基金面上项目、陕西省科技厅自然基金项目、教育厅专项项目、宁夏科技支撑计划项目以及横向项目30余项。

赵永秀

副教授，研究生导师，研究方向为爆炸性环境本质安全电路放电及防爆理论、新能源功率变换与控制、无线电能传输技术。

刘泽伟

硕士研究生，研究方向为宽范围LLC谐振变换器分析与控制。

本工作成果发表在2024年第22期《电工技术学报》，论文标题为“变模态倍压型LLC谐振变换器多目标参数优化”。

引用本文

赵永秀, 刘泽伟, 王崇杰, 雷鸣, 晏铭. 变模态倍压型LLC谐振变换器多目标参数优化[J]. 电工技术学报, 2024, 39(22): 7139-7153. Zhao Yongxiu, Liu Zewei, Wang Chongjie, Lei Ming, Yan Ming. Multi Objective Parameter Optimization of Variable Mode Voltage Doubling LLC Resonant Converter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(22): 7139-7153.

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