三相LLC谐振变换器旋转相剥离控制方法

《Energies》：Rotating Phase-Shedding Control Method for Three-Phase LLC Resonant Converter

　　

本文提出了一种针对三相LLC谐振变换器在扩展输出电压范围内运行的新策略。该变换器采用三相、两相全桥及单相半桥模式，在指定开关频率范围内将输出电压从约400 V调节至100 V。在传统固定半桥运行中，某一相持续传输功率，导致器件利用率不均及局部热积聚。所提出的旋转相剥离方法周期性地在三相之间轮换有功、支撑及关断状态，从而在不增加额外功率器件的情况下，使累积电流应力与功率损耗均匀分布。本文分析了运行原理与相旋转顺序，并在11 kW三相LLC谐振变换器样机上对所提策略进行了实验验证。实测电流波形证实了有功状态在各相之间的正确转移。与固定相剥离运行相比，热像仪测量结果表明副边整流二极管温度分布更为均匀，证实了器件利用率与热性能的改善。

三相LLC谐振变换器旋转相剥离控制方法研究解读

一、研究背景与问题

随着电动汽车充电系统、数据中心电源、通信基础设施及储能应用对高效、紧凑且具备电气隔离能力的DC/DC变换器需求日益增长，谐振变换器拓扑得到快速发展。其中，LLC谐振变换器因能在宽负载范围内实现原边开关管的零电压开关（ZVS）、低开关损耗及高频运行而备受关注。碳化硅（SiC）MOSFET等宽禁带半导体器件的应用进一步提升了开关频率与功率密度。

对于大功率应用，多相及三相LLC谐振变换器相比传统单相方案具有明显优势：总输出功率分散至多个谐振相，降低单个半导体及磁性器件承受的电应力；交错运行可降低输出电流纹波、减小输出滤波电容需求并改善损耗分布。然而，传统LLC变换器的电压调节能力主要受谐振腔增益特性制约，常采用变频控制，但仅靠频率控制实现宽输出电压范围可能导致开关频率变化区间过宽，增加变压器、谐振元件、栅极驱动及电磁干扰滤波器设计难度，并可能增大环流、缩减软开关裕量。

为此，研究者提出多种扩展电压变换范围的方法，包括移相调制、移相与脉冲频率调制结合、谐振腔重构、变压器重构及不同桥式结构间切换等。相剥离（Phase-Shedding）是改善多相变换器性能的成熟方法，传统策略在轻载条件下关断部分相以降低开关与栅极驱动损耗。此外，相剥离还可用于改变等效桥式结构以扩展输出电压调节范围：常规模式下三相全部参与功率传输，通过关断一个桥臂，剩余两桥臂可构成全桥运行；在更低输出电压需求下，变换器可重构为单相半桥运行模式。

然而，单相半桥运行模式存在特殊局限：仅一个谐振相主动传输功率，另一桥臂的开关持续导通以建立所需电压激励与电流返回路径，第三相保持关断。若在整个运行区间内维持相同相分配，对应谐振元件、变压器、半导体器件及整流支路将承受比其余相更大的电与热负荷，长期固定相运行会导致器件利用率不均及局部热应力集中。旋转相剥离方法为此提供了解决方案，但将其应用于三相LLC谐振变换器单相半桥模式面临谐振电流连续性、相依赖开关状态等额外挑战，需要同时轮换三种相功能而非简单使能或关断单个相。

二、研究内容与结论

研究人员提出一种针对三相LLC谐振变换器单相半桥运行模式的旋转相剥离策略。有别于维持固定相分配，有功、支撑与关断状态在三个相之间周期性轮换，使每个变换相在相近的累计运行时间内承担有功角色。该策略的主要目标并非降低瞬时总损耗，而是使各相累计导通与开关损耗更均匀分布，从而在不增加额外半导体器件、均流电路或定制磁结构的前提下改善器件利用率并降低局部热负荷。

研究在11 kW三相LLC谐振变换器样机上进行了实验验证，测量内容包括相电流波形、输出电压特性及固定与旋转相剥离条件下的热像图。实测电波形证实有功状态在三相间的顺序转移，热像仪测量则表明旋转运行下温度分布更均匀。实验结果显示，旋转相剥离将相间最大温差从固定模式的约10 °C降至1 °C，改善了变换器硬件利用率，并可能降低单相半桥模式长期运行中单个器件的热应力。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：多模式运行策略，使变换器在常规三相模式、两相全桥模式及单相半桥模式间切换以扩展输出电压范围；旋转相剥离控制，通过周期性轮换有功、支撑与关断状态实现三相均匀利用；基于MCU内部ADC比较器与PWM外设Trip Zone Control的相状态转换逻辑，实现与PWM时基同步的平滑状态切换；半导体损耗建模，对原边MOSFET与副边整流二极管的导通、开关及栅极驱动损耗进行理论分析；以及实验验证方法，在输入电压V_IN = 350 V、负载R_load = 30 Ω条件下，利用示波器、热像仪及双向电源搭建测试平台，对固定与旋转相剥离运行进行对比测量。

四、研究结果

稳态运行验证：通过示波器测量三种运行模式的相电流与开关节点电压波形，确认了各模式的正确运行特征。在单相半桥模式下，支撑相开关节点电压维持正直流母线电位，关断相开关节点电压为浮空状态。旋转相剥离运行下，三相依次参与功率传输，而固定运行中某一相始终无电流。

输出功率能力分析：三相模式提供额定功率，两相全桥模式最大输出功率受限于每相RMS电流，单相半桥模式最大输出功率约为额定功率的三分之一。

输出电压范围扩展：通过三种模式组合，变换器可在指定开关频率范围内将输出电压从约400 V调节至100 V。三相与两相全桥模式间存在显著输出范围重叠，为基于效率的模式选择提供灵活性；两相全桥与单相半桥模式间重叠较窄。

相状态转换行为：在f_sw = 75 kHz下观测到相间状态转换过程，瞬态仅持续数个开关周期，转换平滑。由于实验室负载具有较大输入电容，状态转换期间未观察到显著输出电压瞬变。

热性能改善：热像仪测量表明，固定相剥离运行下副边整流二极管温度分布不均，而旋转相剥离运行将功率传输时段依次分配至三相，使对应损耗分布更均匀，降低了二极管最高温度并改善热平衡。

五、讨论与结论

研究表明，旋转相剥离为三相LLC谐振变换器单相半桥运行期间改善相利用率提供了有效手段。通过周期性交换有功、支撑与关断相分配，所提策略避免了传统固定相剥离中单相持续承载负荷的问题。输出电压范围的扩展伴随可用输出功率的降低，这是由于有功谐振相数量减少所致。所提方法并不必然降低瞬时总变换器损耗，其主要优势在于使累计损耗在相间更均匀分布。实验测得相间最大温差从固定模式的约10 °C降至旋转模式的1 °C。由于每条功率传输路径均包含对应原边开关器件、变压器及整流支路，整个变换器预期可获得类似改善，但本实验装置无法直接测量原边半导体温度。未来研究应聚焦于效率测量及原边MOSFET温度的直接监测，以对固定与旋转相剥离运行进行定量比较。