学术简报｜基于磁放大器的半桥LLC变换器输入电压范围扩展方法
电力电子国家专业实验室（浙江大学）、上海空间电源研究所的研究人员靳晓光、万兰若等，在2018年第21期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于磁放大器的半桥LLC变换器输入电压范围扩展策略。
在输入电压范围比较低时，磁放大器不被使能，变换器的工作状态和传统LLC变换器相同。当输入电压较高时，磁放大器工作在辅助整流方式。通过调整磁放大器的阻断时间来扩展变换器的直流增益调整范围，从而扩展变换器的输入电压范围。
对所提出变换器的主要工作原理进行了详细分析，并给出磁放大器的设计方法。最后，通过一台160~300 V输入、25 V输出、最大功率为400 W的实验样机对该策略的可行性和理论的正确性进行了验证。
LLC谐振变换器具有结构简单、高效率及软开关等优点，近年来被广泛应用于电池储能系统和电动车充电桩中。在上述系统中，变换器通常承受着较大范围的输入电压变化，例如光伏储能系统中连接光伏面板的LLC变换器输入电压范围为32~65V。
传统LLC变换器采用变频调制（Pulse Frequency Modulation, PFM）技术，变换器通过开关频率的变化来调节直流电压增益（DC voltage gain）。当变换器的输入电压变化范围比较大时，开关频率的变化范围也比较大。当LLC变换器工作在谐振频率时，转换效率最高。当开关频率远离谐振频率时，会引起效率的大幅下降，甚至超出调节范围，不能维持输出电压稳定。
为使LLC变换器适用于宽输入范围场合，大量专家学者做了深入研究，所提出方法大致可以分为四类：①精确模型与参数优化；②多级变换器；③拓扑变换；④调制方法变换。另外还有上述几种方法的混合。
文献[8]基于模态分析法提出LLC变换器的精确模型，可以在此模型基础上达到最大增益范围。但是此方法没有从根本上改变LLC变换器的增益特性，特别是当开关频率大于谐振频率时增益曲线斜率过小的问题。
文献[11]提出LLC级联拓扑，前级Buck-Boost变换器负责输入调节，后级LLC变换器负责隔离变换。在此拓扑中LLC输入电压基本维持不变，可以工作在效率极高状态。然而，这种结构不利于提高功率密度和降低成本。
在文献[6]中，通过改变开关管的导通状态使LLC变换器在输入电压比较低时工作在全桥状态，在输入电压比较高时工作在半桥状态，从而可以将LLC变换器的输入范围拓宽一倍。但是这种拓扑在状态切换瞬间，输出电压会有很大的过冲或者欠冲。
文献[12]在上述方法的基础上引入两个变压器切入的概念，进一步扩展了LLC变换器的输入电压范围。文献[13]改进了前述二者瞬态波形，通过柔性切换使输出电压保持基本稳定。但是整个切换过程历时80ms左右，并且需要数字处理器进行复杂的算法控制，不适用于输入电压和负载电流变化较快的场合。
文献[14]提出可以通过双向开关的PWM调制来改变谐振腔输入电压，将输入电压范围提高到原来的两倍，从而适应更大的输入电压范围。然而，这种拓扑一次侧需要6个开关管，增加了电路的复杂度和成本，相应降低了电路的可靠度。
文献[15]提出一种三电平LLC，通过改变上下桥臂的移相角来扩展变换器的工作范围，使变换器适应两倍输入电压范围。这种拓扑会因为开关周期的不平均引起两个输入电容上的电压不平衡。文献[16]提出通过移相控制全桥LLC变换器来拓宽工作范围，取得了较好效果。上述方法中，除级联式以外，均不适用于半桥LLC拓扑。
磁放大器后级调整技术在多路输出DC-DC变换器中应用已经比较成熟。文献[20]将其引入到多路输出LLC变换器中。通过“分时控制法”调节磁放大器的阻断时间，将一个开关周期内的能量在两组或多组输出中按一定比例分配，变换器能量传输不会被磁放大器完全阻断。
不同于文献[20]，本文在单路输出半桥LLC变换器中利用磁放大器的完全阻断作用拓宽变换器的输入电压范围。在变换器输入电压较低时磁放大器阻断时间为零，等效于一段导线。在变换器输入电压较高时，控制器将变换器频率限制在谐振频率附近一个固定值，通过改变磁放大器的阻断时间来改变LLC变换器的直流增益，从而扩展输入电压范围。该策略可以避免变换器工作在大于谐振频率的状态，减小开关损耗，并且结构简单、易于实现。
图1 带磁放大器辅助整流器的半桥LLC变换器
本文提出一种利用磁放大器作为二次侧辅助整流器来提高半桥LLC变换器输入电压范围的方法。变换器有两种工作模态。当输入电压比较低时，电路的工作模态和传统半桥LLC变换器相同，通过变频来调节输出电压。
当输入电压比较高时，变换器定频工作，通过调整磁放大器的阻断时间来维持输出电压的稳定。由于磁放大器的加入，变换器将输入电压范围扩展到原来1.75倍。电路中开关管在全输入电压和全负载电流范围内均实现了ZVS，二次侧整流二极管实现ZCS。
与现有方法比较，文中提出的方法具有如下优点：
1）电路结构简单，磁放大器电路成熟可靠。
2）反馈环路简单，无需复杂控制，可使用普通PI（或PID）补偿器。
3）暂态过程调整速度快，输出电压稳定。
最后，通过一台160~300 V输入、25 V输出、400 W的样机进行实验，验证了文中所提出方法的可行性和理论的正确性。