以下文章來源于PSD功率系統設計 ，作者Henri Huillet

向多電飛機（MEA）的成功過渡在很大程度上取決于高效可靠的DC-DC轉換器的開發

作者：GAIA Converter首席執行官Henri Huillet

滿足MEA應用施加的嚴格EMI要求可能具有挑戰性。在這篇文章中，GAIA Converter的首席執行官Henri Huillet研究了三相LLC DC-DC轉換器如何提供有效的解決方案。根據GAIA Converter和馬德里理工大學最近進行的時域分析，本文比較了兩種LLC轉換器配置：單相和三相，說明后者如何提供額外的好處，使其成為MEA應用的理想選擇。

“多電飛機”或MEA定義了用電動替代品取代飛機中液壓驅動的致動器、泵和其他設備的持續趨勢。通過使用更高效、占地面積更小、更可靠的電動設備，可以節省發動機燃料并將排放降至最低，同時降低操作和維護成本。

為了實現這些結果，不同電壓軌之間的功率轉換級必須盡可能低損耗和輕量。典型的主飛機總線標稱為270VDC，在隔離的情況下向下轉換為28VDC，然后再次轉換為其他負載電壓。在本文中，我們將研究兩種設計拓撲的選擇，這兩種拓撲可能用于功率轉換的第一階段。

01傳統LLC轉換器：優點和缺點

在許多應用中，“LLC”轉換器已成為一種流行的轉換拓撲。這些具有低動態損耗的諧振型轉換器顯示出低EMI特征，并且通常可以僅使用具有由變壓器的漏電感形成的諧振電感器Lr的單個磁性元件。調節是通過改變開關頻率來實現的，開關的驅動是50%占空比下的簡單脈沖串。然而，控制是復雜的，并且經常使用數字信號處理器，但是最終產品可以具有高性能和高功率密度。

和以往一樣，沒有一種拓撲結構在所有條件下都是完美的。MEA應用要求將開關頻率從最小負載到最大負載的變化限制在標稱值的+/-15%，并在235VDC到285VDC的“正常”輸入電壓范圍內。只有在低于220VDC和高達320VDC的異常輸入條件下，限值才會放寬。雖然可以為這些范圍設計“標準”LLC轉換器，但失去了一些好處，尤其是在磁性方面。這是因為對于小的頻率變化，諧振電感器Lr需要具有與變壓器磁化電感Lm相似的電感。

因此，將Lr作為有意的漏電感集成到變壓器中變得不切實際且效率低下。因此，Lr必須是一個獨立的分立組件。此外，LLC拓撲具有相對較高的輸入和輸出紋波電流，這增加了部件應力并要求相對較大的電容器。

02使用三相LLC轉換器的好處

對于簡單的LLC轉換器，有一種很少使用的替代方案——三相版本。盡管三相LLC轉換器具有更高的元件數量，但它有望更高效、整體更小。因為硅的總面積更小，所以變壓器更小，輸入和輸出紋波電流大大減少，這意味著更小的電容器和更低的損耗。

03傳統與三相LLC轉換器

在三相LLC電路中，變壓器初級處于“Y”配置，以分離出三個磁化電感Lm A、B和C以及相應的未耦合“諧振”電感器Lr A、B和C。三個輸出繞組處于三角形配置，以有效利用繞組，從而使繞組中的紋波電流比單相LLC低√3倍。變壓器的繞組復雜性高于單相LLC，但總體尺寸約小40%，損耗顯著降低65%。

尺寸的減小在一定程度上被需要三個諧振電感器而不是一個所抵消，盡管它們的總損耗大致相同。與單相LLC分別需要兩個和兩個相比，三相LLC需要六個初級開關和六個次級同步整流器。然而，較低的總耗散分布在三相LLC中的多個器件上，這意味著總半導體占地面積可以更小，單個結溫更低，以增強可靠性。在任何情況下，拓撲結構之間的開關數量可能沒有那么不同，因為在單相LLC中，由于較高的工作電流，設備通常需要并聯。

04LLC變換器的時域比較分析

關于三相LLC拓撲結構的文獻很少，因此GAIA Converter與馬德里理工大學的研究人員一起著手生成一種方法，該方法將導出電壓增益曲線的方程。這些對設計過程至關重要，并表明所有條件下所需的預期頻率變化。LLC變換器分析被認為是復雜的，通常采用的方法與其他拓撲類似，在其他拓撲中，評估動力傳動系的頻率或“s”域響應，指示響應中的“極點”和“零點”，并繪制為“Bode”圖。為了簡化分析，進行了所謂的“一次諧波近似”（FHA），它忽略了變壓器電流的二次諧波和更高階諧波對輸出功率的貢獻。然而，這種方法并不能給出完全準確的性能圖片，特別是當預測高于和低于諧振的增益時。

相反，GAIA Converter和馬德里理工大學選擇了“時域分析”。這種方法很復雜，需要大量的計算，但卻是最準確的。波形被劃分為離散的時間間隔，所施加的電路電壓的值被識別，電阻、電容和電感網絡的值被評估，其中包括可能的非線性效應，例如開關的輸出電容。

串聯諧振轉換器的電路可以表示為圖1，定義其時域特性的微分方程為方程1，求解了電感器電流，如方程2所示。常數c和c′是通過評估邊界條件得出的，邊界條件取決于特定的諧振拓撲和工作條件。

圖1：LLC轉換器中的諧振電路

對于三相LLC轉換器，針對方程組3中的五個條件和從方程組4中的邊界條件導出的十個常數，確定了一組五個方程。

根據這些方程，諧振回路的電壓增益可以隨著頻率的變化而評估。

研究人員將時域分析結果與FHA方法和Plecs電路模擬的結果進行了比較。結果如圖2所示，顯示了Plecs和時域分析方法之間的完全一致性，FHA方法在共振以下最大偏差約5%，在共振以上最大偏差約3%。

圖2：三相LLC諧振回路增益、時域、FHA和Plecs模擬的比較分析

05用于MEA的SWaP優化LLC轉換器的設計

作為一項練習，研究團隊比較了現有單相LLC設計的結果，該設計已經針對尺寸、重量和功率（SWaP）進行了優化，并模擬了三相版本，兩者都提供了從235VDC到285VDC的1kW（最小600W）輸入和28VDC輸出。開關頻率變化極限最大為+/-15%，最小效率為96%，允許轉換器高度為13mm。

單相LLC使用矩陣變壓器和單獨的諧振電感器，而三相LLC使用帶隙平面變壓器和三個單獨的諧振電感。這些都使用了TP5E材料，并使用低損耗繞組技術（如litz線和平面銅層）進行了定制設計，這些技術針對低趨膚和接近損耗進行了優化。對于這兩個轉換器，GaN HEMT單元被用作初級開關，硅MOSFET被用作次級開關。

如表1所示，最顯著的結果是，當使用三相LLC時，損耗總體降低了15%，功率密度提高了20%。此外，對于相同的輸出電容，三相LLC實現了紋波電壓降低約100倍。

表1：損耗和占地面積比較——單相和三相LLC轉換器

06結論

GAIA Converter和馬德里理工大學開展的研究項目表明，對三相LLC變流器進行時域分析可以提供準確的結果。當分析技術用于設計MEA應用的真實世界的轉換器時，與單相LLC方法相比，三相LLC拓撲在效率和功率密度方面實現了顯著而有價值的增益。