基于双变量最大效率跟踪控制的高升压Boost集成双LLC谐振变换器

《Electronics》：Dual-Variable Maximum-Efficiency Tracking Control for a High-Step-Up Boost-Integrated Dual-LLC Resonant Converter

　　

本文提出了一种高升压Boost集成双LLC谐振变换器的分析与最大效率跟踪控制方法。所提出的变换器利用一个共享半桥结构，将一级Boost电路与两级LLC谐振电路相结合，并通过串联输出实现高电压变换比。由于变换器增益同时受占空比和开关频率影响，研究人员分析了二者对电压增益和损耗特性的耦合效应。为确定不同负载条件下的最大效率工作点，研究考虑了导通损耗、开关损耗和磁芯损耗。分析表明，最优占空比和开关频率随输出功率变化，因此固定占空比或固定频率的运行方式无法在宽负载范围内维持最大效率。为此，研究人员采用了一种双环控制策略，其中占空比环调节输出电压，开关频率环沿恒输出电压轨迹跟踪最大效率点。该方法通过PSIM仿真进行了评估，包括负载阶跃下的闭环跟踪，并在500 W、60–380 V样机上进行了频率扫描验证。在扫描识别的最优点处，实测效率在300 W时达到97.44%，在500 W时达到96.60%，与单变量控制相比，观测到的效率差异最高达0.27个百分点，但该差异未经过统计学显著性验证。

论文解读

一、研究背景与问题

随着碳减排需求和能源转型的加速，光伏系统和燃料电池等可再生能源的应用日益广泛。这类能源通常输出较低且波动的直流电压，因此需要高升压DC–DC变换器与高压直流母线或并网逆变器接口。传统Boost变换器结构简单、控制容易，但实现高电压增益需要很高的占空比，这会增加导通损耗和半导体器件应力。隔离型DC–DC变换器利用高频变压器，可将所需电压增益分配到变压器匝比上，同时提供电气隔离，因而在高升压功率变换中具有吸引力。

在隔离型变换器中，LLC谐振变换器应用广泛，因为其原边开关可实现零电压开关（ZVS），副边整流管可实现零电流开关（ZCS），从而支持高频高功率密度运行。然而，传统LLC变换器的电压增益主要通过调节开关频率实现，宽电压增益范围需要很宽的开关频率变化范围，远离谐振点运行会增加环流和导通损耗，并加大磁性元件设计难度。已有研究从控制策略优化和拓扑改进两方面探索宽增益谐振变换器技术，包括Boost半桥（BHB）变换器族、电压倍增整流Boost集成半桥（VDRBHB）变换器、堆叠拓扑、双LLC谐振腔结构、Boost与LLC集成结构等。在控制自由度利用方面，已有研究将占空比、移相角、开关频率和运行模式等调制变量用于改善运行范围和变换效率，也有研究将效率优化与在线工作点跟踪相结合，如最大效率跟踪（MET）方法、混合优化调制策略、变直流母线控制等。

尽管已有研究涉及Boost集成、双谐振结构、多变量调制和在线效率优化等多种谐振变换器构型，但在恒输出电压条件下，Boost集成双LLC变换器的负载相关损耗特性，以及占空比调压与开关频率效率跟踪的协调配合，仍缺乏充分表征。因此，本研究针对一种由一个Boost级和两个共享单半桥开关臂的LLC谐振级组成的Boost集成双LLC谐振变换器，分析其在恒输出电压条件下电压增益和负载相关损耗特性随占空比D和开关频率f_s的变化规律，并据此提出最大效率跟踪控制策略。

二、主要技术方法

研究人员采用的研究方法主要包括以下几个方面。第一，采用基波近似法（FHA）建立LLC谐振级的稳态电压增益模型，并推导了占空比相关的基波激励电压因子，将传统FHA模型扩展到D≠0.5的非对称运行条件。第二，建立了包含导通损耗、开关损耗和磁芯损耗的损耗模型，其中开关损耗考虑了ZVS条件判定和容性开通损耗，磁芯损耗采用斯坦麦茨方程（Steinmetz equation）计算。第三，提出了双环控制架构，输出电压调节环通过PI控制器调整占空比，最大效率跟踪环以较慢的更新速率基于实测效率调整开关频率，采用扰动观察法沿恒输出电压轨迹搜索最优点。第四，通过PSIM开关仿真和500 W实验样机（60 V输入、380 V输出）进行验证，实验采用SiC MOSFET和SiC肖特基二极管，控制由TMS320F28335 DSP实现，效率测量使用HIOKI PW6001功率分析仪。

三、研究结果

1. 1.
   电压增益特性

研究人员推导了Boost级电压增益G_boost=1/(1?D)和LLC谐振级FHA增益模型，并引入占空比相关基波电压因子F_D(D)，建立了总电压增益G_total关于D和f_s的表达式。分析表明，满足同一输出电压要求的D–f_s组合并非唯一，存在多条恒输出电压轨迹。FHA与PSIM仿真对比显示，在最大效率点处输出电压偏差在0.3%以内，基波电压与理论值误差小于0.1%；电压增益误差在谐振频率附近最小（85 kHz时为0.1%），偏离谐振频率后增大（75 kHz时为4.0%，100 kHz时为4.4%）。三次谐波电流比最高不超过7.5%，二次谐波电流比在最大效率点处最高5.2%，表明基波分量在研究的运行范围内占主导，支持FHA模型的应用。

1. 2.
   损耗特性与最优工作点

损耗分析表明，随着f_s升高，LLC谐振级电压增益下降，谐振电流和导通损耗减小，而开关损耗增大。在100 W和200 W轻载条件下，Q₁在整个频率范围内均实现ZVS，损耗在85 kHz（接近串联谐振频率）处最小。随着输出功率增大，模型预测Q₁在低于某一负载相关边界频率（300 W、400 W、500 W时分别约为86、90、91 kHz）时失去ZVS，该区域的附加开通损耗超过导通损耗的减小量，因此最大效率工作点随功率增大向更高频率移动。计算得到的最优开关频率从100 W时的85 kHz增大到500 W时的91 kHz，对应占空比从0.50变为0.54。实验扫描得到的最优频率从100 W时的81 kHz增大到500 W时的94 kHz，趋势与计算结果一致，但轻载时低于谐振频率，可能与实测轻载增益高于模型预测有关。

1. 3.
   最大效率跟踪控制

研究人员提出了双环控制策略：占空比环通过PI控制器调节输出电压，开关频率环以较慢的更新速率（500 ms）基于实测效率进行扰动观察式搜索，步长为1 kHz，频率范围70–130 kHz，占空比限制在0.4–0.6。PSIM闭环仿真验证了负载阶跃（400 W→200 W→400 W）下的跟踪性能：频率从85 kHz调整至83 kHz（400 W）和78 kHz（200 W），占空比相应调整以维持输出电压，输出电压最大偏差为+1.1 V（0.3%）和?1.7 V（0.5%），并在11 ms和33 ms内恢复。仿真中轻载时最优频率降低的趋势与实验结果一致。

1. 4.
   实验验证

500 W样机实验在五个负载点（100–500 W）上比较了三种控制策略。双变量运行在所有负载点均取得最高实测效率，与占空比单变量控制相比，观测到的效率差异为0.10–0.27个百分点，其中300 W处差异最大（97.44%对97.17%）。测量不确定度估计约为±0.10至±0.14个百分点，由于未进行重复配对测量，差异的统计显著性未得到确认。实测最优频率对应的占空比在100–500 W时分别为0.456、0.486、0.513、0.535和0.55，在200–500 W时与相同频率下按V_o=380 V计算的占空比偏差在0.01以内。

四、讨论与结论

讨论部分指出，固定开关频率或固定占空比的单变量控制无法在整个负载范围内维持最大效率，因为最优工作点随负载变化。损耗模型对损耗趋势提供了近似解释而非精确预测，在轻载时计算损耗比实测值高最多41%，可能与整流二极管在额定电流下取1.5 V正向压降导致轻载二极管损耗估计偏高有关；由于该V_F项只取决于输出电流而不随f_s变化，因此不影响最优点位置。未纳入模型的损耗（栅极驱动损耗、死区期间体二极管导通损耗、电感磁芯损耗、趋肤效应和邻近效应等）经敏感性分析表明对最优点位置影响不超过1 kHz。计算与实测最优频率在300–500 W时相差2–3 kHz，计算最优点位于或接近Q₁的ZVS边界，实测最优点位于该边界之上。

研究结论为：本文提出了高升压Boost集成双LLC谐振变换器的分析与最大效率跟踪控制方法。该变换器利用共享半桥结构集成一级Boost和两级LLC谐振级，串联输出实现高升压变换。通过六种开关模式分析了工作原理，并综合考虑占空比和开关频率研究了电压增益特性。损耗分析表明，满足同一输出电压要求的不同D和f_s组合产生不同的损耗分布，最大效率工作点随输出功率变化。为此采用双环控制策略，占空比环调节输出电压，开关频率环跟踪最大效率点。实验结果表明，在扫描识别的最优点处，300 W时效率达97.44%，500 W时达96.60%，双变量运行在所有负载点均优于单变量控制，观测到的效率差异最高达0.27个百分点。