包爾恒，王紅濤，高軍

（1.廣東水利電力職業(yè)技術學院自動化工程系，廣東 廣州 510925；2.艾默生網絡能源有限公司，廣東 深圳 518000；3.深圳麥格米特電氣股份有限公司，廣東 深圳 518057）

PWM控制LLC諧振變換器的單調性研究

包爾恒1，王紅濤2，高軍3

（1.廣東水利電力職業(yè)技術學院自動化工程系，廣東 廣州 510925；2.艾默生網絡能源有限公司，廣東 深圳 518000；3.深圳麥格米特電氣股份有限公司，廣東 深圳 518057）

在標準通信電源及電動汽車充電模塊等寬范圍輸出電壓及負載電流變化范圍較大的應用場合，由于LLC諧振變換拓撲在高頻區(qū)具有的不單調現象及實際應用中考慮開關頻率的限制等情況，單純的調頻控制難以滿足要求，常用的解決方案是在PFM控制的基礎上特定條件下引入PWM控制。針對目前對PWM控制模式下LLC諧振變換器單調性分析并不多見的現狀，對PWM控制LLC諧振變換器的單調性進行仿真及實驗研究，分析了特定占空比下不單調現象的本質并測試了不單調占空比范圍，最后根據實驗結果給出了實用解決方案。

LLC諧振變換器；單調性；脈沖寬度調制；脈沖頻率調制

在標準通信電源及電動汽車充電模塊等寬輸出電壓范圍及負載變化較大的應用中［1-2］，從LLC增益—頻率特性曲線看，隨著輸出電壓降低和負載減小，變換器的工作頻率需要不斷增加，尤其是由于追求高效率而將K值（勵磁電感和諧振電感的比值）取值比較大的情況下［3-4］，低壓輕載時（小Q值）的特性曲線在高頻段將變得非常平坦（見圖1），甚至可能由于寄生參數的存在使得曲線在高頻段上翹，導致需要的開關頻率無限高，頻率對輸出電壓的調節(jié)作用大大減弱甚至頻率對電壓調節(jié)已經不起作用而引發(fā)電壓穩(wěn)定、紋波及雜音超標等一系列實際問題［5］。通常采取的解決方案是在PFM控制的同時在特定工作區(qū)域引入PWM控制［6］，本文在對PWM控制LLC諧振變換器［7-8］的單調性進行仿真及實驗分析的基礎上，得出該模態(tài)特定占空比下不單調的結論并分析了其本質根源及影響因素，最后給出了實用化的解決方案。

圖1 高K值LLC特性曲線Fig.1 The LLC characteristic curves of large K value

1 PWM控制LLC諧振變換器的單調性仿真分析

本文以某2 000 W標準通信電源模塊為例進行仿真分析，其DC-DC變換部分采用半橋LLC諧振拓撲，如圖2所示，輸入電壓為DC400 V，輸出電壓0～58 V可調，額定輸出電流30 A，根據單調性情況在輕載和低壓區(qū)采取PWM控制模式。

圖2 半橋LLC主電路Fig.2 The half-bridge LLC main circuit

半橋LLC諧振變換器的增益—頻率特性表達式為

式中：fs為開關頻率；Re為折算到原邊側的等效負載電阻，；n為變壓器原副邊匝比；Po為輸出功率；Uo為輸出電壓。

本文設計采用的諧振腔參數如下：諧振電感Lr=20 μH, 勵 磁 電 感 Lm=130 μH, 諧 振 電 容Cr=0.112 μF,諧振頻率=106 kHz,,變壓器變比n＝15∶4∶4。

PWM控制40%占空比仿真波形如圖3所示。

圖3 PWM控制40%占空比仿真波形Fig.3 The simulation waveforms in 40%duty cycle

圖3中，Q2本來在t2時刻給出驅動信號并實際導通，因為正好t2時刻諧振電流開始反向而正向流過Q2。但觀察陰影部分的占空比，若Q2在t1—t2時間段內任意時刻導通，得到的諧振電流波形均和在t2時刻相同，都是Q2的體二極管在續(xù)流。也就是說，Q2在t1到t2內任意時刻給出驅動信號，傳遞到副邊的能量均相同，得到的輸出電壓也相同。換句話說，調節(jié)占空比，從，到滿占空比50%，輸出電壓不會變化。這說明LLC諧振電路在PWM態(tài)存在不單調問題。

PWM控制單調性仿真波形如圖4所示，在t2之后Q2導通，如圖4中的t′時刻，并且是在t2之后電流很小接近零的前提下，不能夠提供足夠的勵磁電流讓變壓器副邊導通，才能認為在t2之后PWM控制具有單調性。

圖4 PWM控制單調性仿真波形Fig.4 The monotonicity simulation in PWM mode

2 實驗及分析

圖5所示為該2 000 W通信電源模塊DC-DC變換部分半橋LLC在輸入電壓DC 400 V，6Ω恒阻性負載下將頻率固定為最高限制頻率350 kHz而進行PWM調節(jié)的實驗結果，從實驗測試結果看在占空比達到35%后，增益變得非常緩慢甚至有一段遞減的區(qū)域，也就是占空比調節(jié)存在不單調現象。

圖5 PWM態(tài)占空比—輸出電壓測試曲線Fig.5 The duty cycle vs output voltage test curve in PWM

圖6為半橋LLC變換器PWM態(tài)的測試波形。

圖6 半橋LLC變換器PWM態(tài)測試波形Fig.6 The test waveforms of half-bridge LLC in PWM state

圖6中，從下管關斷到t1時刻，下管關斷，諧振電感電流為負不能突變，對上管結電容放電，同時對下管結電容充電，上管UDS開始下降直到t1時刻為0。

在t1—t2時段，當上管UDS到0后，上管體二極管導通，諧振電感電流通過體二極管續(xù)流，此時的UDS因為體二極管的導通，鉗位為0。

在t2—t3段，體二極管電流到0后，開始反向恢復過程，直到t3時刻反向恢復過程結束，此過程中UDS仍然被鉗位在0。

在t3—t4時段，體二極管反向恢復結束后，開關管的結電容與諧振電感發(fā)生諧振開始正向充電，UDS開始上升，直到t4時刻上管驅動電壓UGS達到開通門檻電壓而開通，UDS下降，IDS增加。

在t1—t3時段，上管UDS為0，與管子開通UDS=0效果一樣，也就是說，在t1—t3之間管子是否有驅動，傳遞到副邊的能量不變，輸出電壓不會改變，也就是在該區(qū)段占空比的變化不影響輸出電壓，即PWM態(tài)也存在不單調現象。

圖7測量了開關頻率357 kHz下t1～t3的時間為396 ns，加上死區(qū)時間190 ns（設置值）共586 ns，50%占空比對應時間為1 400 ns，則可以計算PWM不單調的區(qū)間長度為586/1 400/2=21%，也就是說此時占空比50%和29%輸出電壓是一樣的，占空比在29%～50%范圍不單調。

圖7 不單調占空比區(qū)間測試Fig.7 The test of non-monotonic duty range

3 解決措施

LLC拓撲在單純的PFM態(tài)存在不單調現象（高K值、寬輸出電壓范圍的低壓輕載時），根據上述分析，在PWM控制模態(tài)大占空比情況下也存在不單調現象，實際設計中可以通過控制模式分區(qū)加以解決，將控制模式按工作區(qū)段分為3部分（見圖8）：PFM，PFM+PWM及PWM，在設置的最高頻率以下且特性單調性好的區(qū)段（如額定態(tài)附近）為PFM調節(jié)；在PFM單調性差的高頻段且PWM單調區(qū)段（小占空比）采用PWM控制；在PWM不單調區(qū)段（大占空比）采用PFM＋PWM控制，在占空比從50%到50%-區(qū)間內，雖然占空比的增加不能調節(jié)輸出電壓，但工作頻率的降低能夠調節(jié)輸出電壓，達到穩(wěn)壓的目的。

圖8 控制策略簡圖Fig.8 The control scheme sketch

具體控制方案原理如圖9所示［9］。圖9中，OA段為單純的PWM態(tài)，該段頻率保持最大頻率不變，通常對應的運行狀態(tài)是低壓輕載段，該段特點是LLC特性平坦而PFM態(tài)不單調。AB段（占空比不單調段）為PFM+PWM段，當占空比增大到較大占空比后（如35%），由于PWM態(tài)不單調，這時可采用降低頻率和增大占空比同時調制方式，以保證PWM方式運行在單調區(qū)，通常對應的運行方式是輸出電壓的中壓段和中輕載區(qū)。BC段為PFM態(tài)調制段，該段通常對應的運行狀態(tài)為額定態(tài)附近。

圖9 分區(qū)控制原理Fig.9 The partition control principle

上述控制方式在DSP等控制的數字化電源設計中比較容易實現，但部分模擬控制芯片也可以實現這種控制，如LM5033，SG3525等［10］。

將上述控制策略應用于該高效率2 000 W標準通信電源模塊，解決了不單調現象引起的輸出紋波及雜音超標等問題，取得了良好的實際效果。

4 結論

LLC諧振變換器在寬輸出電壓范圍及負載變化范圍較大等特定電源應用中的單調性問題是通常面臨解決的實際問題，常用的解決方案是PFM結合PWM的控制策略，本文對PWM態(tài)的單調性問題進行了研究并得出大占空比下不單調的結論，最后給出實用化的解決方案，對該應用場合且額定態(tài)高效率要求的LLC諧振變換器設計具有一定的指導意義。

［1］Beiranvand R，Rashidian B，Zolghadri MR，et al.A Design Procedure for Optimizing the LLC Resonant Converter as a Wide Output Range Voltage Source［J］.IEEE Transactions on Power Eiectronics，2012，27（8）：3749-3763.

［2］Musavi F，Craciun M，Gautam DS，et al.An LLC Resonant DC-DC Converter for Wide Output Voltage Range Battery Charging Applications［J］.IEEE Transations on Power Elec?tronics，2014，28（12）：5437-5445.

［3］牛志強，王正仕.高效率半橋LLC諧振變換器的研究［J］.電力電子技術，2012，46（6）：64-65.

［4］胡海兵，王萬寶，孫文進，等.LLC諧振變換器效率優(yōu)化設計［J］.中國電機工程學報，2013，33（18）：48-56.

［5］包爾恒.LLC諧振變換器空載輸出電壓漂高問題分析解決［J］.電力電子技術，2013，47（1）：26-27.

［6］Yamamoto J，Zaitsu T，Abe S，et al.PFM and PWM Hybrid Controlled LLC Converter［C］//International Power Electron?ics Conference，2014：177-182.

［7］Wu L M，Chen P S.Interleaved Three-level LLC Resonant Converter with Fixed-frequency PWM Control［C］//IEEE International Telecommunications Energy Conference，2014：1-8.

［8］管松敏，陳乾宏.PWM控制LLC變換器的工作原理和外特性分析［J］.電力電子技術，2012，46（3）：55-57.

［9］陳濱.諧振拓撲電路的功率變換器的控制方法和裝置：艾默生網絡能源系統北美公司，200910117939［P］.2012-04-11.

［10］Texas Instruments.LM5033 100V Push-pull Voltage Mode PWM Controller Datasheet［EB/OL］［Z］.2005.

Monotonicity Research of LLC Resonant Converter in PWM Control Mode

BAO Erheng1，WANG Hongtao2，GAO Jun3
（1.Automation Engineering Department，Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou 510925，Guangdong，China；2.Emerson Network Power Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，Guangdong，China；3.Shenzhen MEGMEET Electric Co.，Ltd.，Shenzhen 518057，Guangdong，China）

In wide output voltage and load current range applications such as standard communication rectifier and electric vehicle charging module，etc.，since the non-monotonic phenomenon in high frequency region of the LLC resonant converter and limiting considering of the too high switching frequency，a simple frequency control is difficult to satisfy need，the usual approach is to introduce PWM control on the basis of PFM.Currently，the research about the monotonicity of LLC resonant converter in PWM control mode is rare.By simulation and experiment，the monotonicity of LLC resonant converter in PWM control and the nature of the non-monotonic behavior under particular duty cycle were researched，the range of non-monotonic duty cycle was tested.At last，the practical solution was introduced according to the experiment results.

LLC resonant converter；monotonicity；pulse width modulation；pulse frequency modulation

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20170606

2016-07-14

修改稿日期：2016-09-16

包爾恒（1971-），男，碩士，高級工程師，Email：beh880825@126.com