LLC电路的交错并联技术研究.pdf

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硕士学位论文硕士学位论文LLC电路的交错并联技术研究RESEARCHOFLLCCIRCUITININTERLEAVEANDPARALLELTECHNOLOGY王金录王金录哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2011年年12月月国内图书分类号：

TM464学校代码：

10213国际图书分类号：

621.3密级：

公开工工学学硕硕士学士学位论文位论文LLC电路的交错并联技术研究硕士研究生：

王金录导师：

和军平副教授申请学位：

工学硕士学科：

电气工程所在单位：

深圳研究生院答辩日期：

2011年12月授予学位单位：

哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:

TM464U.D.C:

621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHOFLLCCIRCUITININTERLEAVEANDPARALLELTECHNOLOGYCandidate：

WangJinLuSupervisor：

Asso.Prof.HeJunpingAcademicDegreeAppliedfor：

MasterofEngineeringSpeciality：

ElectricalEngineeringAffiliation：

ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：

December,2011Degree-Conferring-Institution：

HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-I-摘要对PWM调制的开关电源拓扑，只要采取适当的控制方法调节占空比，就可以实现良好的均流，但对采用PFM控制的LLC电路来说，通过调频方法不容易实现交错控制的均流，而调占空比又会失去软开关的优点，因此均流成为交错并联LLC设计的一大难点。

研究交错并联LLC负载电流分配不均的原因和解决方法成为本课题的重点，本文主要研究内容如下：

首先，对输入端串联、并联两种交错并联LLC的拓扑结构进行时域的仿真分析，总结两种拓扑结构的优缺点。

针对影响并联LLC负载分配不均衡的主要因素谐振元件的误差，进行了仿真分析。

当谐振参数存在差异时，应用Mathcad绘出单相LLC的增益曲线，并在此基础上分析了输入端串联结构自动均流的原因。

最终确定了输入端电容串联附加自动均流电路的拓扑结构形式。

其次，为了分析谐振参数差异对交错并联LLC频域性能的影响，方便控制环路的设计，在单相LLC模型的基础上，得到交错并联LLC的小信号模型。

在得出主电路的传递函数后，依据主电路时域仿真的结果，通过Saber仿真软件对谐振腔中交流量进行傅里叶级数分解，得出谐振腔中电压电流的基波分量，再应用Mathcad软件可绘出Bode图。

通过Bode图分析了谐振参数的具体影响，发现谐振参数对控制系统影响不大，交错并联LLC的控制系统与单相LLC的相似，可以应用PI补偿网络提高系统的稳定性。

再次，根据并联LLC负载不平衡原因的分析，对谐振参数的选取进行优化处理，进一步提升了电路的均流能力，并且提出了均流电路电感和电容参数的计算方法，完善了均流方案的整体设计。

最后，完成硬件电路设计，实现了数字交错控制，并对样机进行了实测。

实验包括开关管驱动、稳态和动态工作状态、环路频率响应。

实验结果表明，实现了交错控制，均流效果良好。

在减小了输出滤波电容容值的情况下，输出纹波电压满足标准要求，证明了本文所提理论分析的正确性及均流方法的有效性。

关键词：

交错并联；均流；LLC；负载不平衡；数字控制哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-II-AbstractForgeneralPWMcontrolcircuittopology,aslongastherightcontrolmethodisused,withtheadjustmentofdutythecurrentsharingcanbeachieved,butfortheLLCcircuitwiththePFMcontrol,itisunabletorealizecurrentsharingthroughcontrollingthefrequency,andifthedutyisadjusted,theadvantagesofsoftswitchwilllost,socurrentsharingbecomeabigdifficultyofdesignofinterleavedLLC.SothereasonandthesolutionthattheparrallelLLCcantrealizecurrentsharingbecomethefocusofthistopic.Specificcontentasfollows:

Firstly,twotopologicalstructurethattheinputofinterleavedLLCisseriesandparallelismadethesimulationinthetimedomain,andtheadvantagesanddisadvantagesoftwokindsoftopologicalstructurearesummarized.AccordingtothemainfactorswhichinfluenceparallelLLCcircuitonloaddistributiontheresonantcomponentserror,thesimulationanalysisisdone,usingmathcadthegaincurveofsingle-phaseLLCisdrew,astheresonantparameterserrorvary,theimbalanceofreasonisresearched,alsotheprinciplethatseriesstructureintheinputcanrealizecurrentsharingisanalyzed.Thetopologystructureisdeterminedtobethestructureofseriesintheinputwiththecurrentsharingcircuit.Secondly,inordertoanalysistheinfluencethattheresonantparameterserrorbrighttheinterleavedLLCinthefrequencydomainandgettheconvenientoftheclosedloopdesignandanalysis,onthebaseofsingle-phaseLLCmodeling,thesmallsignalmodelofinterleavedLLCmodelingisgot,afterthetransferfunctionofmaincircuitisgot,accordingtothemaincircuitsimulationresultsinthetimedomain,usingthesabersimulationsoftwaretheexchangequantityinresonancecavityismadeFourierdecomposition,thevoltageandcurrentoftheresonantcavityinthebasewavearegotten,atthelastusingthemathcadsoftwarethebodefigureisdrew,withthegraphicstheeffectsoftheresonantparametersisanalysised,theeffectoftheresonantparametersonthecontrolsystem.Thirdly,accordingtotheanalysisoftheresonthatparallelLLCcanntsharethecurrent,theselectionoftheresonanceparametershouldbeoptimized.Andtheparameterselectionmethodoftheinductanceandcapacitanceinthesharecurrentcircuitareputforward.Theschemeofcurrentsharingisrealized.Finally,Thehardwarecircuitdesigniscompleted,andusingDSPthedigitalinterleavedcontrolisrealized.theprototypeistested,theexperimentalwaveformmainlyincludesthedriverswaveformsoftheswitchtube,steadystateanddynamicstatewaveform,loopfrequencyresponse,throughtotheanalysisofexperimentalresultsshowthattheinterleavedcontrolisimplemented,theeffectofcurrent哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-III-sharingarealsoverygood,alsothecorrectnessofthetheoryanalysisandthevalidityofthecurrentsharingmethodareproved.Keywords:

interleave，currentsharing，LLC，unbalancedload，digitalcontrol哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-IV-目录摘要.IABSTRACT.II第1章绪论.11.1课题研究目的和意义.11.2LLC与并联均流技术的相关研究及发展概况.11.3主要研究内容及章节安排.6第2章主电路拓扑的选择及时域分析.82.1交错并联LLC的原理.82.1.1交错意义及优点.82.1.2输入端并联结构交错并联LLC技术.92.2并联LLC输入端串并联结构的对比分析.102.2.1输入端串联结构的优点.102.2.2输入端串并联结构交错并联LLC均流情况分析.112.3影响交错并联LLC负载平衡的相关因素.152.4并联LLC负载平衡的方案.212.5本章小结.23第3章交错并联LLC小信号模型及仿真.243.1主电路小信号模型的建立.243.1.1小信号模型概述.243.1.2开关网络模型.253.1.3谐振腔模型.283.1.4变压整流模型.313.2主电路的频域分析.353.2.1交错并联LLC传递函数的建立.353.2.2负载不平衡的频域分析.363.3PI控制器的设计.383.4本章小结.40第4章硬件电路设计及数字控制实现.414.1硬件电路设计.414.1.1主电路谐振参数的计算.41哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-V-4.1.2均流电路参数的计算.434.2数字控制设计.454.2.1DSP芯片的选取及系统结构.454.2.2DSP各模块的时钟设置.464.2.3主程序控制流程.474.2.4交错控制的实现.474.2.5限流与过载保护.484.2.6A/D中断程序及数字控制器的实现.494.2.7开关频率和死区时间的计算.504.3本章小结.51第5章实验结果及分析.525.1样机与实验波形.525.1.1MOS管驱动波形.525.1.2主路与辅路稳态工作状态波形.535.1.3动态工作状态及输出纹波电压波形.555.1.4环路频率响应.565.2本章小结.56结论.57参考文献.58哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明.62致谢.63哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-1-第1章绪论1.1课题研究目的和意义LLC因高频率、高效率、高功率密度的特点而受到人们的青睐，但是LLC自被应用以来，也存在着一定的缺点。

如为了滤掉谐波，输出电容的容量比较大，可达几千微法。

特别在低压大电流输出的情况下，输出电流纹波很大1-3。

为改善这一缺点，研究者们想到了交错并联技术4,5。

所谓交错并联LLC，就是多路LLC并联在一起，开关工作频率相同，相位相差一定角度6。

其基本拓扑结构仍然是LLC的形式，所以它仍然具备LLC本身原有的优点。

如具有高效率高功率密度；在空载到满载的范围内，都能实现零电压开通；输出范围较宽；属于PFM控制，能够减少EMI，有利于EMI的设计；当工作在二区时，副边二极管零电流关断，减少损耗；减少副边整流二极管两端的电压应力，因为LLC结构可以省略副边的滤波电感，所以二极管两端电压能被最小化到二倍的输出电压7。

此外，由于采用了交错并联结构，由MOSFET频繁开关产生的纹波，会大大减小，这样在设计输出滤波电容时，可以减小电容的设计值8。

在低压大电流的场合中应用此技术，效果更加明显，不仅改善直流输出电压的质量，还可缩小体积，节省成本，给后续设计带来很多好处。

另外，在实际工程应用中，交错并联技术非常适合应用在大功率电源中。

如在开关电源中，一些磁性器件如谐振电感、励磁电感、共模电感和变压器占电源模块总体积中的很大一部分，如果不采用交错技术，由于功率的加大，磁性器件的体积要求就会变大，但由于有电源尺寸的限制，所以磁性元件的设计就会变得非常困难，不容易做小，这样就无法达到要求。

如果采用交错并联技术，两路分担总功率，每一路功率会减小，每一路磁性元件的高度和体积也会大大减小，整个电路的体积相对单相LLC在相同输出功率情况下要小很多，这样就提高了电源的功率密度，降低了电源成本。

LLC技术与交错并联技术结合在一起后，就使得总体性能有了很大改善。

本课题的交错并联LLC电路属于通信电源PFC后级的DC-DC部分。

对于通信电源整体而言，这部分性能的提升，也会改善通信电源的工作性能指标，给通信电源带来品质的提升。

1.2LLC与并联均流技术的相关研究及发展概况随着信息技术的发展，人们对通信和计算机服务器电源的要求也在不断的提高。

电源系统的设计一直围绕着功率密度、热处理、电压调节特性、可靠性、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-成本等主题开展。

为了更好的保护环境和节约能源，在1992年由美国能源部和美国环保署共同推行了“能源之星”政府计划，最早是在电脑产品中推广，从而节能技术开始发展，在这种趋势下，谐振变换器的研究大大兴起。

刚开始的谐振变换器多为两元件的，但是随着电力电子行业的发展，研究者们发现两元素谐振电路存在着许多缺点和局限。

早在20世纪80年代的时候，许多研究者就开始关注三个谐振元件的谐振转换器拓扑结构，这种拓扑结构克服了两元件谐振转换器的局限。

在1992年，由RudolfP.Severns发表了一篇文章，他采用穷尽法将所有三元素谐振拓扑进行归纳总结，三元素进行组合，确定有38种结构，其中就包括有LLC结构的17种9，但是该文章并没有对LLC的工作原理进行分析。

之后就有很多学者对LLC进行研究，但是技术一直不是很成熟，没有能够在工业中得到应用。

经过很长时间沉淀后，LLC的相关理论有了很大发展，到2002年，台达公司申请了LLC专利，LLC结构开始在工业中得到应用。

由于LLC具备其它DC/DC转换器与其无法相比的优点，许多企业和大学都开始对LLC展开进一步深入的研究。

如今在通信电源领域，通常应用LLC作为DC-DC部分的电路拓扑结构。

通讯电源的整体结构式通常采用PFC+LLC的拓扑结构，它的总体框架如图1-1所示。

LLC具备功功率密度和高效率的优势10，可以工作在高频开关频率状态，很受工程师的推崇，成为一般DC-DC设计的首选拓扑结构。

由于LLC零电压开通的特点，减小了LLC的开关损耗，提高了LLC的工作效率，同时对整个通信电源来说许多性能指标也得到了提升。

图1-1通信电源结构在LLC拓扑结构发展的同时，另一种技术交错并联技术也处于不断的发展进步当中，对于并联来说，大家更关注的是并联电路的均流，如果均流情哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-况很差则无法并联在一起工作。

其中并联模式在分布式电源系统当中被广泛采用，将电源模块的并联，这样并机使用，能够输出更高的功率，但是由于各电源模块电路中电路参数的差异，所以并联电源模块中就会出现不均流，为了解决均流问题，研究者们提出过很多方法。

总结起来均流方法主要分为下垂法和有源均流法11,12，如图1-2所示，其中下垂法很容易实现，而且模块之间无需连接通讯线；它实质上是开环控制方法，实现均流程度的好坏与转换器电压调节特性互为矛盾，也就是说均流好的时候，电压调节特性会很差，另外小电流时均流效果差，随着负载电流的增大均流效果会有些好转。

最常用的要数有源均流法，经过这些年的发展，有源均流法主要分为，主从均流法，最大值均流法和平均值均流法。

有源均流法采用通讯线将所有并联模块连接，然后通过通讯的方式采用共同的电流基准信号进行均流。

图1-2均流方法框图电源模块之间的并联是通过每个模块的控制器调节各自的输出电压来实现均流的，当在电源内部某种电路拓扑采用了并联结构，则此时的均流又不同于电源模块之间的均流。

但实质上是相同的，只不过省略了通讯线，可以直接应用电流环路分别进行输出电压调节，最终达到均流。

如果并联电路之间开关管的频率完全一样，相位相差一定角度，这时并联电路就成为交错控制13。

交错控制是研究者们对并联电路控制方式中的一个发现，它的优点正如前面叙述的那样，所以一般在采用并联电路作为拓扑结构的时候，大都采用交错控制。

虽然交错并联后会有很多好处，但是它也会带来缺点。

正如前面所说的那样，并联电路工作后，因为器件参数的误差，会出现负载电流分配不均衡的情况，这样就会造成一路分担较大一部分负载，而另一路却只承担了很少一部分，形成资源浪费，更严重会出现由于负载分配的严重不均，导致一路器件损坏。

对于PWM控制的并联电路，仍然可以采用有源均流的方法进行交错控制，然而对于PFM控制的LLC来说却不能采用这种方法。

因为有源均流法其本质都是通过闭环控制进行PWM调节，只不过是控制方法各有不同，最终的控制量都是调节哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-占空比，但是由于本课题是把交错并联技术应用在LLC上，而LLC是属于PFM控制，最终需要调节的控制量为频率，交错控制又要求两路频率必须一样。

这样就不能通过环路控制进行均流，如果一定要通过调节占空比实现均流的话，就会失去LLC软开关的优势，因此即使实现均流也毫无意义。

这就给交错并联LLC的均流增加了难度。

为此一些关注交错并联LLC谐振变化器的学者们，都开始提出了很多解决交错并联LLC均流问题的方法。

对于交错并联技术在其它拓扑结构上的应用，国内外一些研究者们很早之前就有过研究，而对于交错并联LLC是在最近几年内才被大家关注的，在国内，相关的文献资料尚少，一些外文文献有相关研究的介绍。

2005年POWERONE公司的一个产品中就采用过交错并联LLC拓扑结构，用的是移相全桥的芯片UCC3895来完成控制，把一个定频的芯片用成了调频的芯片，能够实现两路LLC的交错控制，同时还能实现PFM+PWM调节，设计非常巧妙，但解决均流的问题上，它通过严格控制谐振元件参数，减少两路谐振元件参数的差异来实现均流。

虽然设计具备了交错并联LLC的一些优点，并且解决了交错并联LLC的均流问题，但是通过控制参数差异的人为方式进行解决，无疑给磁性元件制作工艺带来困难，同时也浪费了资源和时间，最重要的是不适合大批量生产，显然它不是一个比较好的办法。

2008年德国帕德博恩大学的几位学者H.Figge，T.Grote，N.Froehleke，J.Boecker和P.Ide提出了采用频率控制交错并联LLC均流的方案14。

方案的具体内容是，采用三级电源结构，如图1-3所示。

其实就是在通信电源常用结构，PFC+LLC的两级结构中间加一级Buck电路。

通过LLC的增益特性曲线可以找到两路负载最均衡的工作点，将开关频率固定在那一点，也就是说LLC的环路只负责控制并联LLC均流和交错控制，至于输出电压的控制却不能兼顾，因此多加了一级Buck电路，通过输出电压的PWM控制，实现输出电压的稳压。

但是这种拓扑结构由于多加了一级电路，必然会增加损耗，效率会很低，不适合做高效率。

另外在实际应用当中两路负载平衡的控制点很难确定，这种方案实际可操作性不强。

2009年意大利帕多瓦大学的学者们E.Orietti，P.Mattavelli等提出采用附加电流控制电感器进行两相交错并联LLC的均流15，把附加电感器串联到谐振腔中，通过控制附加电感器的直流偏置电流来改变电感值的大小，从而调整两路的谐振频率，使两路的谐振电流趋于相等，最终达到对两路均流的目的。

但均流电感的设计存在工艺困难，且占用电源较多空间，增加损耗，不适合推广。

同年它们又提出了三相交错并联LLC的均流方案16,17，这方案是通过对三相并联LLC拓扑进行改进，并在各相的输出电流反馈控制中输出控制量调节三相之哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-图1-3三级电源结构14间交错角度，它的拓扑结构如图1-4所示。

这种拓扑结构确实能够解决均流问题，但是这种电路的工作特点是，任意时刻都有两路开通工作，因此只适合三相并联LLC，两相LLC无法实现交错。

INV1RC1RL1ML221:

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NNN221:

NNNOUTVOUTC2RC3RC2RL3RL2ML3ML图1-4改进的三相并联LLC16在交错并联LLC的拓扑当中，较为常见的为两相交错并联，两相交错并联LLC拓扑结构按输入段的连接方式分为：

输入端并联和输入端串联联结构。

两相交错并联LLC谐振变化器拓扑结构简图如图1-5所示。

这两种拓扑结构受到很多研究者的关注，其中韩国研究者Bong-ChulKim等在2009年发表过一篇文章，文章中对这两种拓扑结构特性进行了简单的分析。

对比分析了两种结构的均流特点，得出了两种拓扑结构在低频工作时均流效果都很好，但是在其它情况下输入端串联结构的均流效果要