实现LLC变换器宽电压输出的方法
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LLC谐振变换器一般采用脉冲频率调节（PFM）方式控制输出电压，因此在最大开关频率受限的情况下输出电压范围同样会受到限制。强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学电气与电子工程学院）的研究人员石林、刘邦银、段善旭，在2019年第22期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于突发控制-变占空比控制（Burst-PWM）的混合控制模式，以实现LLC变换器的宽电压范围输出。
LLC变换器由于具有高效率、小体积以及宽范围软开关等优点在航空电源、直流微电网、燃料电池、船舶动力系统等方面拥有越来越广泛的应用。一般情况下，LLC变换器常采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation, PFM）方式调节输出电压。然而变换器的工作频率范围受到器件的限制，难以实现宽范围的输出电压调节。为了在有限的工作频率下实现LLC变换器的宽范围电压输出，很多学者从电路不同方面提出了各种增加输出电压范围的方法。
首先在工作频率受限的情况下可通过参数或者结构的优化增加变换器输出电压的范围。有学者通过采用较大谐振电感与励磁电感之比的参数设计原则，以得到宽输出电压范围下的谐振腔参数。
而有学者通过增加谐振腔元件的方式在谐振腔中组建LC并联谐振网络，以改变特定频率下的谐振腔阻抗，这种结构在特定频率点（并联谐振点）处的电抗值趋于无穷，若变换器工作在此频率点附近可实现极低电压的输出。
有学者在谐振腔中加入了冗余结构，增加了一个高频变压器，两个变压器采用一次侧串联二次侧并联的方式，使用开关管控制冗余变压器是否加入谐振腔。有学者提供了两种高频变压器二次侧增加有源器件的宽范围电压输出结构，利用增加的开关管控制整流器结构在全桥和半桥两者间切换，增加了变换器同样工作频率范围下的输出电压范围。这种全桥与半桥工作切换的方式同样有学者用于二次侧。
上述方法能够有效拓宽LLC变换器输出电压范围，但由于电路结构的改变，会额外增加系统体积，同时降低效率。
优化驱动信号调制方式同样可以增加输出电压范围。一般在PFM控制的基础上，可加入脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）、移相控制（Phase Shift Modulation, PSM）和突发控制（Burst- mode control）。这几种控制方法已经在其他一些类型的变换器中广泛应用，但在LLC变换器中使用时会存在一些新的问题。
有学者使用了PWM控制方式与PFM控制结合。PWM控制会使得开关管和输出二极管可能处于发热不均衡状态，同时开关管的软开关特性同样受到影响。PSM控制已有很多在LLC变换器中的应用，但滞后桥臂在移相角较大的情况下，其软开关会受到影响，尤其当电路工作在轻载状态时，这种现象会影响变换器工作的可靠性。
而为了达到设计指标，需要在变换器的硬件参数以及开关频率方面进行相关的优化。Burst控制将开关管阵列的输出电压由连续模式转换为不连续模式，减少了谐振腔等效输入电压，从而减小了输出电压。但Burst控制同时会增加输出纹波，恶化系统的EMI特性。
由上述分析可知，采用优化控制策略的方式可以在保持LLC变换器体积效率优势的基础上实现宽电压范围输出，但在应用时均存在一些额外的问题从而限制了实际的输出电压下限。
强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学电气与电子工程学院）的研究人员，针对半桥LLC变换器，提出了一种Burst-PWM混合控制方法，所提方法能够在较低电压到额定电压的宽输出范围内，同时实现开关管的ZVS，提高了变换器在宽范围输出条件下的可靠性，拥有较好的EMI特性。
首先分析Burst控制与PWM控制应用在LLC变换器中的特性及其不足之处。采用Burst-PWM混合控制时，PWM控制能够减小Burst开通（Burst-on）时段内谐振腔电流峰值，而Burst控制能够在Burst-on时段内为PWM控制下的开关管提供足够的零电压开通（ZVS）电流。
这种方式能够保证变换器在宽电压范围内的特性和稳定性。然后采用状态空间轨迹法给出了谐振腔参数优化设计方法以及确定PWM控制下的最小占空比。最终实验证明了分析的正确性以及所述方法的有效性。
图4 半桥LLC变换器控制框图
图7 混合控制参数设计流程
研究人员得到以下结论：
1）LLC变换器的输出部分采用半桥结构时，使用PWM控制不会导致励磁电流存在直流分量。因此，在进行参数优化设计时，仅需对谐振电感和电容值进行优化，而无需考虑PWM占空比改变时会使变压器产生偏磁。
2）PWM控制可有效降低Burst-on时段内的电流应力，而Burst控制能够在Burst-on时段内提供足够的电流以使开关管实现高频软开关。两种方式相结合，使得变换器在宽范围电压输出的基础上仍然能够保持变换器的可靠性。
3）Burst-on时段内的电流变化规律仅与输入与输出电压差值以及谐振腔参数有关，而与负载参数无关。因此，谐振腔参数的优化过程无需考虑负载变化，减少了参数设计复杂度。
4）开关管的软开关可通过限制最小PWM占空比的方式实现。最小PWM占空比仅与变换器输入和输出电压之差有关，可将此关系直接存储在软件系统中。在控制时根据所测输出电压直接确定占空比大小，控制复杂度不会受到较大影响。