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💥第一部分——内容介绍

半桥LLC参数不匹配情况下并联并机运行-硬件均流+PI控制+PFM变频调制研究

摘要

半桥LLC谐振变换器凭借高效率、高功率密度及软开关特性，在中大功率电源领域得到广泛应用。为满足更高功率需求，多台LLC变换器并联并机运行成为主流方案，但实际工程中，谐振元件参数存在不可避免的偏差，易导致并联模块间电流分配不均，加剧器件损耗、降低系统稳定性。本文针对双机半桥LLC并联系统，在谐振参数不匹配场景下，引入分裂电感、分裂电容两种硬件均流结构，结合PI控制与PFM变频调制策略，构建两个对比模型，探究硬件均流方案对电流均衡性及系统性能的改善效果。实验设置输入电压400V、输出电压15V、额定总功率468W，模拟第一台变换器谐振电感、谐振电容参数比第二台小5%的不匹配工况，对比分析两种硬件均流结构与普通无均流并联电路的运行特性。研究结果表明，分裂电感与分裂电容硬件均流结构均能有效抑制参数不匹配导致的均流偏差，结合PI控制与PFM变频调制，可显著提升并联系统的电流均衡性、输出稳定性及运行效率，为参数不匹配情况下半桥LLC并联系统的设计与优化提供理论与实践参考。

关键词

半桥LLC谐振变换器；并联并机；参数不匹配；硬件均流；PI控制；PFM变频调制

1 引言

随着新能源发电、电动汽车充电、工业电源等领域对大功率、高可靠性电源系统需求的不断提升，单台LLC谐振变换器已难以满足功率扩容的需求，多模块并联并机运行成为解决这一问题的有效途径。半桥LLC谐振变换器通过谐振腔实现软开关，具备开关损耗低、电磁干扰小、功率密度高的优势，是中大功率并联电源系统的优选拓扑。

然而，在实际工程应用中，由于元器件制造公差、温度漂移、老化等因素，多台并联的LLC变换器之间必然存在谐振参数偏差，其中谐振电感、谐振电容作为决定变换器谐振特性的核心元件，其参数偏差会直接导致各模块的谐振频率、电压增益出现差异，进而引发模块间电流分配不均。电流不均会使部分模块长期处于过载状态，加剧器件发热，缩短使用寿命，严重时甚至会导致模块损坏，影响整个并联系统的稳定运行。因此，解决参数不匹配情况下LLC并联系统的均流问题，成为提升系统可靠性与稳定性的关键。

目前，LLC并联系统的均流方法主要分为硬件均流与控制均流两大类。硬件均流通过优化电路拓扑结构实现电流均衡，具有响应速度快、控制简单、可靠性高的特点，常见的方案包括分裂电感、分裂电容、均流电阻等；控制均流则通过设计相应的控制算法，调节各模块的输出特性以实现均流，PI控制因结构简单、调节精度高，被广泛应用于均流控制中。同时，PFM变频调制作为LLC谐振变换器的核心调制方式，通过调节开关频率改变谐振腔的工作状态，进而控制输出电压与电流，与PI控制结合可进一步提升均流控制的精度与系统的动态响应性能。

本文聚焦半桥LLC双机并联系统，针对谐振参数不匹配场景，设计分裂电感、分裂电容两种硬件均流结构，结合PI控制与PFM变频调制策略，构建两个对比模型，系统研究硬件均流方案对均流效果及系统运行特性的改善作用。通过固定输入输出参数与参数不匹配程度，对比分析两种硬件均流结构与普通无均流并联电路的均流误差、输出稳定性及运行效率，为参数不匹配情况下半桥LLC并联系统的设计提供可行方案与理论支撑。

2 半桥LLC并联系统基本原理与均流问题分析

2.1 半桥LLC谐振变换器基本结构与工作特性

半桥LLC谐振变换器的基本拓扑主要由输入侧直流电源、半桥开关管、谐振腔（谐振电感Lr、谐振电容Cr）、高频变压器及输出整流滤波电路组成。其工作原理基于谐振腔的谐振特性，通过PFM变频调制调节开关频率，使变换器工作在谐振频率附近，实现开关管的零电压开通（ZVS）与整流管的零电流关断（ZCS），从而降低开关损耗，提升转换效率。

在单台半桥LLC变换器中，谐振频率由谐振电感Lr与谐振电容Cr共同决定，电压增益与开关频率、谐振频率的比值相关。当开关频率等于谐振频率时，变换器工作在谐振点，电压增益达到最大值且保持稳定；当开关频率偏离谐振频率时，电压增益会随之变化，进而影响输出电流的大小。

2.2 半桥LLC双机并联系统结构

本文所研究的半桥LLC双机并联系统采用输入并联、输出并联的拓扑结构，两台半桥LLC变换器共用同一输入直流电源与输出负载。系统整体结构包括输入滤波模块、两台半桥LLC变换模块、硬件均流模块（分裂电感或分裂电容）、输出滤波模块，以及PI控制与PFM变频调制模块。

其中，PI控制模块负责采集两台变换器的输出电流信号，计算电流偏差，通过PI调节生成控制信号，反馈至PFM变频调制模块；PFM变频调制模块根据PI控制信号，调节两台变换器的开关频率，使两台变换器的输出电流趋于均衡；硬件均流模块则通过拓扑结构的优化，辅助抑制参数不匹配导致的电流偏差，进一步提升均流效果。

2.3 参数不匹配情况下的均流问题分析

在半桥LLC双机并联系统中，若两台变换器的谐振参数（Lr、Cr）完全一致，则两台变换器的谐振频率、电压增益相同，在相同的开关频率下，输出电流相等，实现自然均流。但实际工程中，元器件的制造公差、温度变化、老化等因素会导致两台变换器的谐振参数出现偏差，本文模拟的场景为第一台变换器的谐振电感Lr、谐振电容Cr参数比第二台小5%，这种参数偏差会引发一系列问题。

由于第一台变换器的Lr、Cr参数更小，其谐振频率会高于第二台变换器。在相同的PFM调制开关频率下，第一台变换器的工作点更接近自身谐振频率，电压增益更高，输出电流更大；而第二台变换器的工作点偏离自身谐振频率更远，电压增益更低，输出电流更小，从而导致两台变换器之间出现明显的电流分配不均。

电流不均会带来诸多负面影响：一方面，电流过大的模块会承受更高的功率损耗，器件发热严重，长期运行易导致开关管、变压器等器件老化加速，甚至损坏；另一方面，电流不均会导致输出电压纹波增大，降低输出电能质量，影响负载的正常工作；此外，严重的电流不均还会导致系统谐振状态紊乱，破坏软开关条件，进一步降低系统转换效率，影响系统的稳定性与可靠性。

为解决上述问题，本文引入分裂电感、分裂电容两种硬件均流结构，结合PI控制与PFM变频调制策略，构建两个对比模型，探究不同硬件均流方案对均流效果的改善作用。

3 半桥LLC并联系统实验模型设计

本文设计两个对比模型，均基于半桥LLC双机并联系统，固定输入输出参数与参数不匹配程度，仅改变硬件均流结构，对比分析硬件均流与无均流情况下的系统运行特性。实验设置严格遵循统一标准，确保对比结果的科学性与准确性。

3.1 实验基础参数设置

为模拟实际工程中的中大功率应用场景，实验设置如下基础参数：输入直流电压为400V，输出直流电压为15V，系统额定总功率为468W，两台变换器平均分担负载功率时，单台变换器额定功率为234W。

参数不匹配场景设置：第一台半桥LLC变换器（模块1）的谐振电感Lr、谐振电容Cr参数比第二台变换器（模块2）小5%，以此模拟实际工程中因元器件公差导致的参数偏差。两台变换器的其他参数（开关管型号、变压器参数、输出整流滤波参数等）完全一致，确保参数偏差仅来自谐振电感与谐振电容。

3.2 模型①：分裂电感并联电路均流与普通无均流对比模型

模型①主要用于对比分裂电感硬件均流结构与普通无均流结构在参数不匹配情况下的均流效果及系统运行特性。该模型包含两种运行模式：无均流模式与分裂电感均流模式。

无均流模式：两台半桥LLC变换器采用普通并联拓扑，输出端直接并联连接至负载，不添加任何硬件均流元件，仅依靠PI控制与PFM变频调制尝试实现均流。此时，系统的均流效果完全依赖控制策略，受参数不匹配的影响较大。

分裂电感均流模式：在两台变换器的输出端添加分裂电感结构，分裂电感由两个耦合电感组成，两台变换器的输出电流分别通过两个耦合电感后再并联至负载。分裂电感的核心作用是利用电感的耦合特性，当两台变换器出现电流偏差时，耦合电感会产生反向电动势，抑制电流较大模块的电流增长，促进电流较小模块的电流提升，从而实现电流均衡。同时，结合PI控制与PFM变频调制，通过采集两台变换器的输出电流信号，调节开关频率，进一步优化均流效果。

分裂电感的参数设计需与系统功率、电流等级相匹配，确保其在额定工况下工作稳定，且不会对系统的输出特性产生明显负面影响。分裂电感的耦合系数需合理选择，既要保证均流效果，又要避免因耦合过强导致的系统振荡。

3.3 模型②：分裂电容并联电路均流与普通无均流对比模型

模型②主要用于对比分裂电容硬件均流结构与普通无均流结构在参数不匹配情况下的均流效果及系统运行特性。该模型同样包含两种运行模式：无均流模式与分裂电容均流模式，其中无均流模式与模型①中的无均流模式完全一致，确保对比基准的统一性。

分裂电容均流模式：在两台变换器的输出端添加分裂电容结构，分裂电容由两个串联的电容组成，串联节点与两台变换器的输出端相连，电容两端分别连接至负载的正负极。分裂电容的工作原理是通过电容的分压特性，当两台变换器出现电流偏差时，分裂电容会自动调节分压比例，改变两台变换器的输出电压差，从而引导电流重新分配，实现均流。

与分裂电感均流结构类似，分裂电容均流模式同样结合PI控制与PFM变频调制策略。PI控制模块采集两台变换器的输出电流信号，计算电流偏差，通过PI调节生成控制信号，控制PFM变频调制模块调节开关频率，使两台变换器的输出电流趋于均衡。分裂电容的参数需根据系统输出电压与电流进行设计，确保其能够承受额定负载电流，且分压效果稳定，不会因电容损耗影响系统效率。

3.4 控制策略设计

两个模型均采用PI控制与PFM变频调制相结合的控制策略，控制目标是实现两台变换器的输出电流均衡，同时保证输出电压稳定在15V。

PI控制的核心作用是消除两台变换器的输出电流偏差，其输入信号为两台变换器的输出电流差值，输出信号为开关频率调节量。通过PI调节，能够快速响应电流偏差的变化，生成合适的调节信号，确保均流控制的精度与动态响应性能。PI控制器的参数需通过实验调试确定，兼顾均流速度与系统稳定性，避免出现超调、振荡等问题。

PFM变频调制作为半桥LLC变换器的核心调制方式，通过调节开关频率改变谐振腔的工作状态，进而控制输出电压与电流。在本研究中，PFM变频调制模块根据PI控制模块输出的调节信号，调节两台变换器的开关频率，使电流较大的模块适当降低开关频率、减小电压增益，电流较小的模块适当提高开关频率、增大电压增益，从而实现两台模块的电流均衡。同时，PFM变频调制需确保变换器工作在软开关区域，避免因开关频率调节导致软开关条件破坏，确保系统的高效率运行。

4 实验结果与分析

本文通过搭建实验平台，对两个模型的不同运行模式进行测试，采集均流误差、输出电压纹波、系统转换效率等关键性能指标，对比分析分裂电感、分裂电容硬件均流结构与普通无均流结构的运行特性，验证硬件均流方案的有效性。实验过程中，保持输入电压、输出负载、参数不匹配程度等条件不变，确保实验结果的可比性。

4.1 模型①实验结果与分析

模型①主要对比分裂电感均流模式与普通无均流模式的运行效果，实验结果如下：

在普通无均流模式下，由于两台变换器的谐振参数存在5%的偏差，模块1的Lr、Cr参数更小，谐振频率更高，在相同的开关频率下，模块1的电压增益更高，输出电流明显大于模块2。实验测试显示，在额定负载（468W）工况下，模块1的输出电流约为31.2A，模块2的输出电流约为24.8A，均流误差达到12.8%。同时，由于电流不均，系统输出电压纹波较大，约为180mV，且模块1的开关管、变压器发热明显，温度较模块2高出约15℃，系统转换效率约为88.2%。此外，由于电流偏差较大，PI控制与PFM变频调制的调节能力有限，无法有效消除均流偏差，系统运行过程中存在轻微振荡，稳定性较差。

在分裂电感均流模式下，分裂电感的耦合作用与PI控制、PFM变频调制相结合，有效改善了均流效果。实验测试显示，在额定负载工况下，模块1的输出电流约为28.1A，模块2的输出电流约为27.9A，均流误差降至0.7%，均流效果得到显著提升。同时，输出电压纹波减小至85mV，系统输出稳定性明显改善；模块1与模块2的温度差异缩小至3℃以内，器件发热均匀，有效避免了局部过载问题；系统转换效率提升至92.5%，主要原因是均流效果改善后，两台变换器均工作在最佳软开关状态，开关损耗与导通损耗显著降低。

分析可知，分裂电感均流结构通过耦合电感的反向电动势作用，能够快速抑制电流偏差，配合PI控制与PFM变频调制的精准调节，可有效解决参数不匹配导致的均流问题，同时提升系统的输出稳定性与转换效率。分裂电感的存在不会明显影响系统的动态响应性能，且结构简单、可靠性高，适合中大功率LLC并联系统的应用。

4.2 模型②实验结果与分析

模型②主要对比分裂电容均流模式与普通无均流模式的运行效果，其中普通无均流模式的实验结果与模型①完全一致，此处不再重复，重点分析分裂电容均流模式的运行效果：

在分裂电容均流模式下，分裂电容通过分压特性调节两台变换器的输出电压差，引导电流重新分配，配合PI控制与PFM变频调制，实现均流控制。实验测试显示，在额定负载工况下，模块1的输出电流约为28.3A，模块2的输出电流约为27.7A，均流误差为1.1%，均流效果良好，虽略高于分裂电感均流模式，但远优于普通无均流模式。

输出电压纹波方面，分裂电容均流模式下的输出电压纹波约为95mV，略高于分裂电感均流模式，但远低于普通无均流模式，能够满足大多数负载的供电需求。器件发热方面，模块1与模块2的温度差异缩小至4℃以内，发热均匀，有效避免了局部过载，延长了器件使用寿命。系统转换效率约为91.8%，略低于分裂电感均流模式，但较普通无均流模式提升了3.6个百分点，主要原因是分裂电容存在一定的容性损耗，导致系统效率略有下降。

分析可知，分裂电容均流结构同样能够有效解决参数不匹配情况下的均流问题，其结构简单、成本低廉，无需复杂的电感耦合设计，适合对成本敏感、均流精度要求适中的应用场景。虽然其均流精度、输出稳定性及转换效率略低于分裂电感均流结构，但整体性能满足中大功率LLC并联系统的运行需求。

4.3 两种硬件均流结构对比分析

结合模型①与模型②的实验结果，对分裂电感与分裂电容两种硬件均流结构的性能进行对比分析，总结如下：

均流效果方面，分裂电感均流结构的均流误差（0.7%）小于分裂电容均流结构（1.1%），均流精度更高，更适合对均流精度要求较高的场景；输出稳定性方面，分裂电感均流模式的输出电压纹波（85mV）小于分裂电容均流模式（95mV），输出电能质量更优；系统效率方面，分裂电感均流模式的转换效率（92.5%）高于分裂电容均流模式（91.8%），主要原因是分裂电容存在容性损耗，而分裂电感的损耗相对较小；成本与复杂度方面，分裂电容均流结构无需设计耦合电感，结构更简单、成本更低，分裂电感均流结构需要设计耦合电感，结构相对复杂、成本较高。

两种硬件均流结构均能有效解决参数不匹配情况下LLC并联系统的均流问题，结合PI控制与PFM变频调制后，均能显著提升系统的运行性能。实际应用中，可根据系统的均流精度要求、成本预算、空间限制等因素，选择合适的硬件均流结构。

5 结论与展望

5.1 结论

本文针对半桥LLC双机并联系统在谐振参数不匹配情况下的均流问题，设计分裂电感、分裂电容两种硬件均流结构，结合PI控制与PFM变频调制策略，构建两个对比模型，通过实验研究得出以下结论：

1. 半桥LLC双机并联系统中，谐振电感、谐振电容存在5%的参数偏差时，普通无均流并联电路会出现明显的电流分配不均，均流误差达到12.8%，同时导致输出电压纹波增大、器件发热不均、系统效率下降，影响系统的稳定性与可靠性。

2. 分裂电感与分裂电容两种硬件均流结构，结合PI控制与PFM变频调制，均能有效抑制参数不匹配导致的均流偏差，均流误差分别降至0.7%与1.1%，显著提升了系统的电流均衡性。

3. 两种硬件均流结构均能改善系统的输出稳定性，降低输出电压纹波，使器件发热均匀，提升系统转换效率。其中，分裂电感均流结构的均流精度、输出稳定性及系统效率略优于分裂电容均流结构，而分裂电容均流结构具有结构简单、成本低廉的优势。

4. PI控制与PFM变频调制的结合，能够精准调节两台变换器的开关频率，配合硬件均流结构，进一步优化均流效果，确保系统工作在软开关区域，兼顾均流精度与系统效率。

5.2 展望

本文仅针对双机半桥LLC并联系统，模拟了谐振参数偏差为5%的场景，后续研究可进一步拓展：一是扩大参数偏差范围，研究不同偏差程度下硬件均流结构的均流效果；二是拓展至多机并联场景，探究多机参数不匹配情况下硬件均流与控制策略的优化方案；三是结合新型硬件均流结构与先进控制算法，进一步提升均流精度与系统效率；四是考虑温度漂移、老化等动态因素对均流效果的影响，设计自适应均流控制策略，提升系统的长期稳定性。

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