【導讀】當今的電源管理設計要求更高的功率密度，更高的效率以及更高級別的組件密度，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（尤其是風能和太陽能）的主要技術。基于諧振的PEC能夠支持零電壓/電流開關（ZVS / ZCS），可實現(xiàn)更高的開關頻率以及更小的無源元件。
本文將演示通過使用優(yōu)化的電流整形和多諧振支路來提高功率密度。
LLC基于諧振的PEC
LLC諧振的一種流行且有用的類型是LLC諧振功率轉換器。圖1顯示了PEC的LLC形式，其中將矩形電壓轉換為正弦電流，從而在轉換器內產(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，將矩形電壓轉換為正弦電流以提高效率。
LLC諧振式功率轉換器通過一個諧振箱（Lr/Cr）和一個變壓器在輸入和輸出之間實現(xiàn)了直接的功率傳輸。從圖1中可以看出，在VIN處施加一個矩形波電壓，從而產(chǎn)生一個正弦電流，流經(jīng)Lr/Cr，然后通過變壓器進入輸出。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。現(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。可以通過最佳組合有限數(shù)量的基本諧振頻率的高次奇次諧波來創(chuàng)建此形狀。
多諧振轉換器
LLC諧振轉換器中的最新架構是多元件諧振轉換器。它采用四個或更多的電感器/電容器諧振組件，它們在傳遞函數(shù)中產(chǎn)生多個諧振頻率。
許多設計都包含五個諧振組件，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。這是通過一系列LC完成的支路與并聯(lián)LC支路串聯(lián)連接因此，應用了多共振技術，可以實現(xiàn)包括降低循環(huán)功率在內的多個目標。
向諧振轉換器添加多個元件將為塑造轉換器的頻率響應提供更大的靈活性。
一種優(yōu)化LLC轉換器形狀的方法
歸一化為±1峰值的LLC正弦電流顯示平均值為0.637 A，可為轉換器的輸出供電。當我們將此正弦波形修改為具有越來越多的高階奇次諧波的矩形時，峰值電流將減小，并且轉換器將能夠為負載提供更多的功率。一個現(xiàn)實的情況是使用有限數(shù)量的前幾個奇數(shù)階諧波，這將接近矩形波的近似值（請參見表）。
設計人員可以使用前幾個奇數(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)過修改的LLC設計，可產(chǎn)生優(yōu)化的電流波形
另一種設計架構涉及一種改進的，靈活的電流整形技術，該技術基于圖2中的基本LLC電路。
圖2.設計人員可以使用提議的LLC功率轉換器拓撲，該拓撲經(jīng)過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都會產(chǎn)生特定的諧波，其權重如表中所示。在每個不同分支中產(chǎn)生的電流與其他分支電流無關，并且沒有相互作用。
每個分支電感和電容器的尺寸可以使用圖3計算。
圖3.一個簡化的原理圖將確定諧振參數(shù)，在該原理圖中設計人員可以計算每個分支電感器和電容器的尺寸。
LLC諧振半橋電源轉換器
LLC半橋轉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，因此在電源設計人員中引起了新的興趣。這種架構已在電源設計及其應用中變得很普遍。這是因為轉換器具有實現(xiàn)更高開關頻率和更低開關損耗的潛力。
設計這種轉換器架構時，會遇到許多挑戰(zhàn)。一個關鍵事實是，LLC諧振半橋轉換器使用頻率調制而不是脈寬調制來執(zhí)行功率轉換。這需要不同的設計方法。
在圖4所示的PRC中，負載與諧振電路并聯(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載變化大的應用中應用并聯(lián)諧振拓撲。
圖4.在LLC串聯(lián)諧振轉換器（SRC）配置中，負載與諧振電路并聯(lián)連接。
與傳統(tǒng)的諧振轉換器相比，LLC諧振轉換器為電源設計人員提供了許多好處。一方面是它可以在寬的線路和負載變化范圍內調節(jié)輸出，而開關頻率的變化很小，從而實現(xiàn)了高效率。該架構還將在整個工作范圍內實現(xiàn)ZVS （圖5）。
圖5.一個典型的LLC諧振半橋轉換器可以在較寬的線路和負載變化范圍內調節(jié)輸出，而開關頻率的變化很小，從而可以提高效率。
在操作中，無論在輸入端施加方波電壓的頻率如何，串聯(lián)諧振轉換器（SRC）的諧振網(wǎng)絡在諧振頻率下對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。在這種架構中實現(xiàn)了更高的功率密度。
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