全桥CLL谐振变换器谐振参数优化方法

前言

谐振变换器由于具有软开关、功率密度高、效率高等优点，在工程中得到了广泛的应用。目前常见的谐振变换器有LLC、双向CLLC、双有源桥、LCC、串联谐振、并联谐振等，其中LLC和双有源桥因具有优异的性能，在工业界应用的最为广泛。谐振变换器普遍存在的问题之一是回流功率对效率的影响，对回流功率研究最多的就是双有源桥变换器，也称为DAB变换器，其次是LLC变换器，LLC变换器的研究主要是谐振参数设计、调制策略。查阅文献时，看到了一篇关于CLL谐振变换器的文章，这也是谐振变换器的一种，与LLC相同，CLL变换器原边MOS可以实现ZVS，副边二极管可以实现ZCS，变压器励磁电感不参与谐振，不存在气隙涡流损耗，变压器的设计变得简单。

目录

1 全桥CLL谐振变换器原理

2 改进回流功率表征方法

3 实验验证

4 参考文献

1 全桥CLL谐振变换器原理

全桥CLL变换器电路如图1所示。Cr、Lr1、Lr2组成CLL谐振网络，呈T形结构，Lr2包含变压器漏感。拓扑和划分为原边开关网络、谐振腔、变压器、副边全桥整流和滤波输出。

同样地，CLL变换器有两个谐振频率，分别是

其中fr2为特征频率。

图1可看出，CLL变换器结构对称，一个谐振周期内可分为8个模态，其中正向4个、负向4个工作模态，在正向和负向中都会产生回流功率。图2给出欠谐振的波形，其变换器的分析过程与LLC谐振变换器相似。

2 改进回流功率表征方法

回流功率的常用表征方法是当工作频率等于特征频率时，也就是变换器工作在准谐振模式，电流可以等效为正弦波，可以得到时域的解析式。回流功率为谐振腔输入电压VAB与谐振电流ic的成绩，忽略寄生参数对分析的影响，可以得到负半周期回流功率时域表达式

上式只能表征准谐振频率处的回流功率，局限性比较大。

回流功率的本质是无功功率在电路中循环，并非真正意义上的损耗。该文用一个产生回流功率的时间变量来描述回流功率的大小，即可用t’来统一表征正、负模态中的回流功率。t’实质上是谐振电 流滞后于谐振腔输入电压的时间，θ为谐振电流的相位，由于VAB的相角为0，因此θ在数值上为谐振 电流滞后于谐振腔输入电压的相位，且满足θ=2πft’，因此可以用阻抗角来表征回流功率。示意图如图3所示。

为能更好地预测谐振参数与回流功率之间的动态关系，用t’表征的回流功率表达式为

文中详细讲述了考虑回流功率的谐振参数设计方法，给出了阻抗角与谐振电容、归一化频率之间的关系，如图4所示。

3 实验验证

为了验证优化方法，采用了仿真与实验相结合的方法，通过设计两组谐振参数，在100W样机平台上进行了对比实验。谐振腔参数见表1。

A组谐振参数的欠谐振、准谐振和过谐振的实测波形如图5所示。

同样地，可以得到B组实验参数的测试波形，通过效率对比，发现B组参数的效率高于A组。图6给出了B组谐振参数的理论值、仿真结果和实验结果的比较，可以看出三种结果相对接近，拟合程度良好，说明了理论分析的正确性和参数设计的有效性。

该文对CLL谐振变换器的回流功率进行了研究，提出了阻抗表征回流功率的方法，可以简化回流功率的分析方法，对变换器的性能提升具有显著效果，该方法同样可以适用于其他谐振变换器的回流功率分析，对变换器的优化具有指导意义。