三相LLC DC-DC转换器——向“多电飞机”过渡的无名英雄
日期:2024-06-02
向多电飞机(MEA)的成功过渡在很大程度上取决于高效可靠的DC-DC转换器的开发
作者:GAIA Converter首席执行官Henri Huillet
满足MEA应用施加的严格EMI要求可能具有挑战性。在这篇文章中,GAIA Converter的首席执行官Henri Huillet研究了三相LLC DC-DC转换器如何提供有效的解决方案。根据GAIA Converter和马德里理工大学最近进行的时域分析,本文比较了两种LLC转换器配置:单相和三相,说明后者如何提供额外的好处,使其成为MEA应用的理想选择。
“多电飞机”或MEA定义了用电动替代品取代飞机中液压驱动的致动器、泵和其他设备的持续趋势。通过使用更高效、占地面积更小、更可靠的电动设备,可以节省发动机燃料并将排放降至最低,同时降低操作和维护成本。
为了实现这些结果,不同电压轨之间的功率转换级必须尽可能低损耗和轻量。典型的主飞机总线标称为270VDC,在隔离的情况下向下转换为28VDC,然后再次转换为其他负载电压。在本文中,我们将研究两种设计拓扑的选择,这两种拓扑可能用于功率转换的第一阶段。
传统LLC转换器:优点和缺点
在许多应用中,“LLC”转换器已成为一种流行的转换拓扑。这些具有低动态损耗的谐振型转换器显示出低EMI特征,并且通常可以仅使用具有由变压器的漏电感形成的谐振电感器Lr的单个磁性元件。调节是通过改变开关频率来实现的,开关的驱动是50%占空比下的简单脉冲串。然而,控制是复杂的,并且经常使用数字信号处理器,但是最终产品可以具有高性能和高功率密度。
和以往一样,没有一种拓扑结构在所有条件下都是完美的。MEA应用要求将开关频率从最小负载到最大负载的变化限制在标称值的+/-15%,并在235VDC到285VDC的“正常”输入电压范围内。只有在低于220VDC和高达320VDC的异常输入条件下,限值才会放宽。虽然可以为这些范围设计“标准”LLC转换器,但失去了一些好处,尤其是在磁性方面。这是因为对于小的频率变化,谐振电感器Lr需要具有与变压器磁化电感Lm相似的电感。
因此,将Lr作为有意的漏电感集成到变压器中变得不切实际且效率低下。因此,Lr必须是一个独立的分立组件。此外,LLC拓扑具有相对较高的输入和输出纹波电流,这增加了部件应力并要求相对较大的电容器。
使用三相LLC转换器的好处
对于简单的LLC转换器,有一种很少使用的替代方案——三相版本。尽管三相LLC转换器具有更高的元件数量,但它有望更高效、整体更小。因为硅的总面积更小,所以变压器更小,输入和输出纹波电流大大减少,这意味着更小的电容器和更低的损耗。
传统与三相LLC转换器
在三相LLC电路中,变压器初级处于“Y”配置,以分离出三个磁化电感Lm A、B和C以及相应的未耦合“谐振”电感器Lr A、B和C。三个输出绕组处于三角形配置,以有效利用绕组,从而使绕组中的纹波电流比单相LLC低√3倍。变压器的绕组复杂性高于单相LLC,但总体尺寸约小40%,损耗显著降低65%。
尺寸的减小在一定程度上被需要三个谐振电感器而不是一个所抵消,尽管它们的总损耗大致相同。与单相LLC分别需要两个和两个相比,三相LLC需要六个初级开关和六个次级同步整流器。然而,较低的总耗散分布在三相LLC中的多个器件上,这意味着总半导体占地面积可以更小,单个结温更低,以增强可靠性。在任何情况下,拓扑结构之间的开关数量可能没有那么不同,因为在单相LLC中,由于较高的工作电流,设备通常需要并联。
LLC变换器的时域比较分析
关于三相LLC拓扑结构的文献很少,因此GAIA Converter与马德里理工大学的研究人员一起着手生成一种方法,该方法将导出电压增益曲线的方程。这些对设计过程至关重要,并表明所有条件下所需的预期频率变化。LLC变换器分析被认为是复杂的,通常采用的方法与其他拓扑类似,在其他拓扑中,评估动力传动系的频率或“s”域响应,指示响应中的“极点”和“零点”,并绘制为“Bode”图。为了简化分析,进行了所谓的“一次谐波近似”(FHA),它忽略了变压器电流的二次谐波和更高阶谐波对输出功率的贡献。然而,这种方法并不能给出完全准确的性能图片,特别是当预测高于和低于谐振的增益时。
相反,GAIA Converter和马德里理工大学选择了“时域分析”。这种方法很复杂,需要大量的计算,但却是最准确的。波形被划分为离散的时间间隔,所施加的电路电压的值被识别,电阻、电容和电感网络的值被评估,其中包括可能的非线性效应,例如开关的输出电容。
串联谐振转换器的电路可以表示为图1,定义其时域特性的微分方程为方程1,求解了电感器电流,如方程2所示。常数c和c′是通过评估边界条件得出的,边界条件取决于特定的谐振拓扑和工作条件。
![](https://manage.powersystemsdesignchina.com/Upload/images/image001(270).jpg)
图1:LLC转换器中的谐振电路
![](https://manage.powersystemsdesignchina.com/Upload/images/image003(149).jpg)
![](https://manage.powersystemsdesignchina.com/Upload/images/image005(106).jpg)
对于三相LLC转换器,针对方程组3中的五个条件和从方程组4中的边界条件导出的十个常数,确定了一组五个方程。
![](https://manage.powersystemsdesignchina.com/Upload/images/image007(61).jpg)
![](https://manage.powersystemsdesignchina.com/Upload/images/image009(41).jpg)
根据这些方程,谐振回路的电压增益可以随着频率的变化而评估。
研究人员将时域分析结果与FHA方法和Plecs®电路模拟的结果进行了比较。结果如图2所示,显示了Plecs®和时域分析方法之间的完全一致性,FHA方法在共振以下最大偏差约5%,在共振以上最大偏差约3%。
![](https://manage.powersystemsdesignchina.com/Upload/images/image011(25).jpg)
图2:三相LLC谐振回路增益、时域、FHA和Plecs®模拟的比较分析
用于MEA的SWaP优化LLC转换器的设计
作为一项练习,研究团队比较了现有单相LLC设计的结果,该设计已经针对尺寸、重量和功率(SWaP)进行了优化,并模拟了三相版本,两者都提供了从235VDC到285VDC的1kW(最小600W)输入和28VDC输出。开关频率变化极限最大为+/-15%,最小效率为96%,允许转换器高度为13mm。
单相LLC使用矩阵变压器和单独的谐振电感器,而三相LLC使用带隙平面变压器和三个单独的谐振电感。这些都使用了TP5E材料,并使用低损耗绕组技术(如litz线和平面铜层)进行了定制设计,这些技术针对低趋肤和接近损耗进行了优化。对于这两个转换器,GaN HEMT单元被用作初级开关,硅MOSFET被用作次级开关。
如表1所示,最显著的结果是,当使用三相LLC时,损耗总体降低了15%,功率密度提高了20%。此外,对于相同的输出电容,三相LLC实现了纹波电压降低约100倍。
![](https://manage.powersystemsdesignchina.com/Upload/images/image013(14).jpg)
表1:损耗和占地面积比较——单相和三相LLC转换器
结论
GAIA Converter和马德里理工大学开展的研究项目表明,对三相LLC变流器进行时域分析可以提供准确的结果。当分析技术用于设计MEA应用的真实世界的转换器时,与单相LLC方法相比,三相LLC拓扑在效率和功率密度方面实现了显著而有价值的增益。
www.gaia-converter.com
推荐行业新闻更多