【導(dǎo)讀】當(dāng)今的電源管理設(shè)計(jì)要求更高的功率密度，更高的效率以及更高級(jí)別的組件密度，以減小電源尺寸。在這里，我們將研究功率電子轉(zhuǎn)換器（PEC），它能夠以緊湊的尺寸以低成本提供更多的功率。
PEC是用于連接可再生能源（尤其是風(fēng)能和太陽(yáng)能）的主要技術(shù)。基于諧振的PEC能夠支持零電壓/電流開(kāi)關(guān)（ZVS / ZCS），可實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率以及更小的無(wú)源元件。
本文將演示通過(guò)使用優(yōu)化的電流整形和多諧振支路來(lái)提高功率密度。
LLC基于諧振的PEC
LLC諧振的一種流行且有用的類型是LLC諧振功率轉(zhuǎn)換器。圖1顯示了PEC的LLC形式，其中將矩形電壓轉(zhuǎn)換為正弦電流，從而在轉(zhuǎn)換器內(nèi)產(chǎn)生大量的循環(huán)功率，從而提高了效率。
圖1.在LLC形式的PEC中，將矩形電壓轉(zhuǎn)換為正弦電流以提高效率。
LLC諧振式功率轉(zhuǎn)換器通過(guò)一個(gè)諧振箱（Lr/Cr）和一個(gè)變壓器在輸入和輸出之間實(shí)現(xiàn)了直接的功率傳輸。從圖1中可以看出，在VIN處施加一個(gè)矩形波電壓，從而產(chǎn)生一個(gè)正弦電流，流經(jīng)Lr/Cr，然后通過(guò)變壓器進(jìn)入輸出。這種正弦電流波允許有大量的循環(huán)功率，這有助于提高效率。
LLC轉(zhuǎn)換器中的諧振電流具有從矩形電壓輸入生成的正弦形狀，表明功率循環(huán)不當(dāng)?，F(xiàn)在，讓我們看一下將LLC電流整形為優(yōu)化的半矩形波形的建議方法。可以通過(guò)最佳組合有限數(shù)量的基本諧振頻率的高次奇次諧波來(lái)創(chuàng)建此形狀。
多諧振轉(zhuǎn)換器
LLC諧振轉(zhuǎn)換器中的最新架構(gòu)是多元件諧振轉(zhuǎn)換器。它采用四個(gè)或更多的電感器/電容器諧振組件，它們?cè)趥鬟f函數(shù)中產(chǎn)生多個(gè)諧振頻率。
許多設(shè)計(jì)都包含五個(gè)諧振組件，這些組件使電流分量處于基本諧振頻率及其三次諧波，從而降低了循環(huán)功率水平。這是通過(guò)一系列LC完成的支路與并聯(lián)LC支路串聯(lián)連接因此，應(yīng)用了多共振技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)包括降低循環(huán)功率在內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)。
向諧振轉(zhuǎn)換器添加多個(gè)元件將為塑造轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)提供更大的靈活性。
一種優(yōu)化LLC轉(zhuǎn)換器形狀的方法
歸一化為±1峰值的LLC正弦電流顯示平均值為0.637 A，可為轉(zhuǎn)換器的輸出供電。當(dāng)我們將此正弦波形修改為具有越來(lái)越多的高階奇次諧波的矩形時(shí)，峰值電流將減小，并且轉(zhuǎn)換器將能夠?yàn)樨?fù)載提供更多的功率。一個(gè)現(xiàn)實(shí)的情況是使用有限數(shù)量的前幾個(gè)奇數(shù)階諧波，這將接近矩形波的近似值（請(qǐng)參見(jiàn)表）。
設(shè)計(jì)人員可以使用前幾個(gè)奇數(shù)階諧波的有限數(shù)量，這將接近矩形波的近似值。
一種經(jīng)過(guò)修改的LLC設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生優(yōu)化的電流波形
另一種設(shè)計(jì)架構(gòu)涉及一種改進(jìn)的，靈活的電流整形技術(shù)，該技術(shù)基于圖2中的基本LLC電路。
圖2.設(shè)計(jì)人員可以使用提議的LLC功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，該拓?fù)浣?jīng)過(guò)修改以生成近似的矩形波。
并聯(lián)支路如圖2a所示，具有串聯(lián)連接的電容器和電感器組件。這些分支中的每一個(gè)都會(huì)產(chǎn)生特定的諧波，其權(quán)重如表中所示。在每個(gè)不同分支中產(chǎn)生的電流與其他分支電流無(wú)關(guān)，并且沒(méi)有相互作用。
每個(gè)分支電感和電容器的尺寸可以使用圖3計(jì)算。
圖3.一個(gè)簡(jiǎn)化的原理圖將確定諧振參數(shù)，在該原理圖中設(shè)計(jì)人員可以計(jì)算每個(gè)分支電感器和電容器的尺寸。
LLC諧振半橋電源轉(zhuǎn)換器
LLC半橋轉(zhuǎn)換器由于具有較高的效率，較高的功率密度和較高的組件密度，因此在電源設(shè)計(jì)人員中引起了新的興趣。這種架構(gòu)已在電源設(shè)計(jì)及其應(yīng)用中變得很普遍。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換器具有實(shí)現(xiàn)更高開(kāi)關(guān)頻率和更低開(kāi)關(guān)損耗的潛力。
設(shè)計(jì)這種轉(zhuǎn)換器架構(gòu)時(shí)，會(huì)遇到許多挑戰(zhàn)。一個(gè)關(guān)鍵事實(shí)是，LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器使用頻率調(diào)制而不是脈寬調(diào)制來(lái)執(zhí)行功率轉(zhuǎn)換。這需要不同的設(shè)計(jì)方法。
在圖4所示的PRC中，負(fù)載與諧振電路并聯(lián)連接，不可避免地需要大量的循環(huán)電流。這使得很難在功率密度高或負(fù)載變化大的應(yīng)用中應(yīng)用并聯(lián)諧振拓?fù)洹?/div>
圖4.在LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器（SRC）配置中，負(fù)載與諧振電路并聯(lián)連接。
與傳統(tǒng)的諧振轉(zhuǎn)換器相比，LLC諧振轉(zhuǎn)換器為電源設(shè)計(jì)人員提供了許多好處。一方面是它可以在寬的線路和負(fù)載變化范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出，而開(kāi)關(guān)頻率的變化很小，從而實(shí)現(xiàn)了高效率。該架構(gòu)還將在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS （圖5）。
圖5.一個(gè)典型的LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器可以在較寬的線路和負(fù)載變化范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出，而開(kāi)關(guān)頻率的變化很小，從而可以提高效率。
在操作中，無(wú)論在輸入端施加方波電壓的頻率如何，串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器（SRC）的諧振網(wǎng)絡(luò)在諧振頻率下對(duì)正弦電流的阻抗都最小。這被稱為諧振電路的選擇特性。諧振之外的頻率在該電路中呈現(xiàn)出較高的阻抗水平。在這種架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度。
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