变频控制下双向CLLC谐振变换器的参数优化设计

《Electric Power Systems Research》：Parameter optimization design of bidirectional CLLC resonant converter under variable frequency control

双阻尼CLLC谐振转换器基于FHA方法建模，推导了电压增益与软开关条件的关系，提出参数优化设计方法，通过k和Q参数的显式约束实现高效设计。实验验证500W原型效率达97.6%，实现全频段软开关运行。

　　

王当书|侯泽龙|赵立聪|吴广振|李农科|谢鹏鹏|王新霞

西安科技大学电气与控制工程学院，中国西安710054

摘要

双向CLLC谐振变换器具有双向能量传输的能力，并且具有高效率和高压密度的显著优势。然而，传统的参数设计方法流程复杂，计算难度高。为了解决这个问题，本文采用基波谐波分析（FHA）方法对CLLC谐振变换器进行建模，推导出其电压增益特性以及实现软开关所需的条件。基于增益特性和软开关约束，提出了一种结合数学分析表达式和图形分析的简化谐振网络参数设计方法。该方法优化了设计过程，显著降低了参数设计的复杂性。使用优化后的参数制作了一个500瓦的实验室原型。实验结果表明，该原型在实现软开关操作的同时满足了电压增益要求，正向功率传输效率高达97.6%，从而验证了理论分析的正确性和参数优化设计的实际可行性。

引言

随着宽禁带（WBG）半导体设备的广泛应用以及分布式储能系统和直流微电网等技术的发展，电力转换器在功率密度、转换效率和动态响应方面的性能要求变得越来越严格。因此，高效、高功率密度的隔离双向DC-DC变换器受到了广泛关注[[1], [2], [3], [4]]。在这些拓扑结构中，CLLC谐振变换器因其对称结构和软开关能力而受到重视[[5], [6]]，并已成功应用于各种新能源领域，包括不间断电源系统、航空电源系统和车辆电源[[7], [8], [9]]。

CLLC谐振变换器是在传统LLC谐振变换器的变压器二次侧集成一个谐振电感和一个谐振电容形成的，从而构成了一个对称的谐振谐振器结构[[10], [11], [12], [13], [14]]。CLLC谐振变换器实现高转换效率和高功率密度的能力与其谐振网络参数的配置密切相关。适当的参数设计可以确保其稳定且高效地运行[[15], [16], [17], [18]]。

为了确定全局最优参数，许多学者对CLLC谐振变换器进行了广泛研究，对其性能进行了深入分析[[19], [20], [21], [22], [23]]。参考文献[24]研究了一种非对称CLLC变换器，该变换器在正向和反向功率流动方向上都能实现软开关。然而，其性能在这两个方向上有所不同，且设计复杂性并未降低。参考文献[25]研究了励磁电感与谐振电感比率对变换器性能的影响，确定了限制这一比率增加的两个关键因素，并据此推导出了最大可实现比率。尽管如此，这种方法并未显著提高效率。参考文献[26]使用基波谐波近似（FHA）方法分析了CLLC谐振变换器的运行特性以及谐振参数对电压增益的影响，发现当开关频率超过某个阈值时，电压增益会急剧下降。参考文献[27]提出了一种实现全范围软开关操作的参数优化方法，但优化过程复杂，无法有效保证电压增益的准确性。

从上述分析可以看出，当前的研究存在参数设计过程复杂以及无法有效保证增益准确性和软开关性能的问题。这在电动汽车车载充电器应用中尤为突出，因为参数优化的需求尤为迫切。牵引电池的电压波动范围非常宽，要求谐振网络在有限的开关频率范围内提供足够的电压增益调节能力。此外，充电过程很容易导致软开关的丧失，从而可能引起设备过热甚至灾难性故障。由于车载空间有限，变换器必须优化参数以抑制能量循环，实现最高的效率和功率密度。参数不匹配不仅会导致充电效率低和体积过大，还可能引发电压超调和电流波动等安全风险，影响电池寿命甚至导致安全事故。

基于当前情况，本文提出了一种基于显式分析约束的CLLC参数优化方法。与传统的迭代试错方法不同，该方法将软开关条件从设计后的验证步骤转变为设计前的约束条件。它构建了一个图形化设计流程，消除了迭代循环。通过将增益单调性和ZVS条件映射到k和Q参数上，实现了解耦的参数设计，显著降低了计算复杂性并缩短了设计周期。

部分摘录

双向CLLC谐振变换器的主电路拓扑

图1显示了双向CLLC谐振变换器的主电路拓扑。变换器的初级侧和次级侧都采用了全桥结构。L_r1和C_r1代表初级侧的谐振电感和谐振电容，L_r2和C_r2代表次级侧的谐振电感和谐振电容。L_m表示励磁电感。谐振电感和电容的组合形成了谐振谐振器。C_{in和Co代表}

使用基波谐波分析进行建模

基于以下假设，采用基波谐波分析（FHA）对CLLC谐振变换器进行建模：忽略谐振网络中的高阶谐波，仅考虑基波分量；将初级侧逆变器输出电压和次级侧整流器输入电压视为方波；次级侧整流器电路和负载等效为初级侧的交流电阻R_eq。

由于

谐振网络参数的最优设计

基于上述深入分析，双向CLLC谐振变换器的参数优化设计不仅考虑了电压增益和开关频率等影响因素，还进一步推导出了基于最小电压增益的电感比率k的约束关系。同时，根据软开关条件对品质因数Q施加了相应的约束。因此，本文提出了一种创新的设计方法

仿真和实验验证

为了验证双向CLLC谐振变换器在变频控制下的增益和软开关特性，本研究使用Simulink进行仿真，并制作了一个500瓦额定功率的实验原型进行验证和分析。仿真参数列在表2中，实验原型如图10所示。

结论

本文采用基波谐波近似（FHA）对双向CLLC谐振变换器进行建模，得到了等效模型。基于该模型，分析了电压增益与参数k和Q之间的关系，并推导出了实现变换器软开关所需的必要条件。此外，提出了一种结合数学分析表达式和图形分析的创新简化设计方法

方法局限性讨论

尽管本文提出的参数优化方法简化了设计过程并保证了软开关性能，但也存在以下局限性：

模型精度：FHA模型忽略了高阶谐波，当开关频率与谐振频率相差较大时，会引入一定的计算误差。对于需要极高精度的应用，可能仍需要基于时域仿真的微调。

CRediT作者贡献声明

王当书：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，资源获取，方法论，资金筹集，形式分析，数据管理，概念化。侯泽龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，资源获取，方法论，形式分析，数据管理，概念化。赵立聪：可视化，软件，研究。吴广振：可视化，项目管理，