如何提高LLC转换器的功率密度？

PEC是用于连接可再生能源（尤其是风能和太阳能）的主要技术。基于谐振的PEC能够支持零电压/电流开关（ZVS / ZCS），可实现更高的开关频率以及更小的无源元件。

本文将演示通过使用优化的电流整形和多谐振支路来提高功率密度。

LLC基于谐振的PEC

LLC谐振的一种流行且有用的类型是LLC谐振功率转换器。图1显示了PEC的LLC形式，其中将矩形电压转换为正弦电流，从而在转换器内产生大量的循环功率，从而提高了效率。

图1.在LLC形式的PEC中，将矩形电压转换为正弦电流以提高效率。

LLC谐振式功率转换器通过一个谐振箱（Lr/Cr）和一个变压器在输入和输出之间实现了直接的功率传输。从图1中可以看出，在VIN处施加一个矩形波电压，从而产生一个正弦电流，流经Lr/Cr，然后通过变压器进入输出。这种正弦电流波允许有大量的循环功率，这有助于提高效率。

LLC转换器中的谐振电流具有从矩形电压输入生成的正弦形状，表明功率循环不当。现在，让我们看一下将LLC电流整形为优化的半矩形波形的建议方法。可以通过最佳组合有限数量的基本谐振频率的高次奇次谐波来创建此形状。

多谐振转换器

LLC谐振转换器中的最新架构是多元件谐振转换器。它采用四个或更多的电感器/电容器谐振组件，它们在传递函数中产生多个谐振频率。

许多设计都包含五个谐振组件，这些组件使电流分量处于基本谐振频率及其三次谐波，从而降低了循环功率水平。这是通过一系列LC完成的支路与并联LC支路串联连接因此，应用了多共振技术，可以实现包括降低循环功率在内的多个目标。

向谐振转换器添加多个元件将为塑造转换器的频率响应提供更大的灵活性。

一种优化LLC转换器形状的方法

归一化为±1峰值的LLC正弦电流显示平均值为0.637 A，可为转换器的输出供电。当我们将此正弦波形修改为具有越来越多的高阶奇次谐波的矩形时，峰值电流将减小，并且转换器将能够为负载提供更多的功率。一个现实的情况是使用有限数量的前几个奇数阶谐波，这将接近矩形波的近似值（请参见表）。

设计人员可以使用前几个奇数阶谐波的有限数量，这将接近矩形波的近似值。

一种经过修改的LLC设计，可产生优化的电流波形

另一种设计架构涉及一种改进的，灵活的电流整形技术，该技术基于图2中的基本LLC电路。

图2.设计人员可以使用提议的LLC功率转换器拓扑，该拓扑经过修改以生成近似的矩形波。

并联支路如图2a所示，具有串联连接的电容器和电感器组件。这些分支中的每一个都会产生特定的谐波，其权重如表中所示。在每个不同分支中产生的电流与其他分支电流无关，并且没有相互作用。

每个分支电感和电容器的尺寸可以使用图3计算。

图3.一个简化的原理图将确定谐振参数，在该原理图中设计人员可以计算每个分支电感器和电容器的尺寸。

LLC谐振半桥电源转换器

LLC半桥转换器由于具有较高的效率，较高的功率密度和较高的组件密度，因此在电源设计人员中引起了新的兴趣。这种架构已在电源设计及其应用中变得很普遍。这是因为转换器具有实现更高开关频率和更低开关损耗的潜力。

设计这种转换器架构时，会遇到许多挑战。一个关键事实是，LLC谐振半桥转换器使用频率调制而不是脉宽调制来执行功率转换。这需要不同的设计方法。

在图4所示的PRC中，负载与谐振电路并联连接，不可避免地需要大量的循环电流。这使得很难在功率密度高或负载变化大的应用中应用并联谐振拓扑。

图4.在LLC串联谐振转换器（SRC）配置中，负载与谐振电路并联连接。

与传统的谐振转换器相比，LLC谐振转换器为电源设计人员提供了许多好处。一方面是它可以在宽的线路和负载变化范围内调节输出，而开关频率的变化很小，从而实现了高效率。该架构还将在整个工作范围内实现ZVS （图5）。

图5.一个典型的LLC谐振半桥转换器可以在较宽的线路和负载变化范围内调节输出，而开关频率的变化很小，从而可以提高效率。

在操作中，无论在输入端施加方波电压的频率如何，串联谐振转换器（SRC）的谐振网络在谐振频率下对正弦电流的阻抗都最小。这被称为谐振电路的选择特性。谐振之外的频率在该电路中呈现出较高的阻抗水平。在这种架构中实现了更高的功率密度。

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