Методика проектирования двухтрансформаторного резонансного преобразователя с оптимизацией индуктивностей для расширения диапазона мягкой коммутации

Проведен анализ современных топологий высокочастотных изолированных преобразователей постоянного тока, включая мостовые схемы с фазовым управлением и резонансные LLC-преобразователи. Выявлены их ключевые недостатки, такие как значительная циркуляционная мощность, узкий диапазон мягкой коммутации и повышенные коммутационные потери в ряде режимов. В качестве перспективного объекта исследования выбрана двухтрансформаторная резонансная топология, преимущество которой заключается в распределении энергетических потоков и подавлении пиковых токов. Моделирование стационарного режима работы преобразователя методом приближения основных гармоник показало, что выходной мощностью можно эффективно управлять с помощью единственного параметра – фазового сдвига между управляющими сигналами полумостов. Исследовано влияние коэффициента трансформации на граничные условия коммутации при нулевом напряжении (Zero Voltage Switching, ZVS). Установлено, что оптимальное соотношение индуктивностей трансформаторов позволяет существенно расширить диапазон нагрузок, при которых сохраняется мягкая коммутация всех силовых ключей, вплоть до режима холостого хода. Разработан метод проектирования преобразователя, включающий алгоритм оптимизации параметров силовой части для минимизации потерь проводимости и расширения ZVS-диапазона. Методика включает поэтапный выбор индуктивности рассеяния, коэффициента трансформации, геометрии магнитопровода и числа витков обмоток, обеспечивающих выполнение заданных требований по эффективности и массогабаритным показателям. Экспериментальные исследования подтвердили высокую энергоэффективность преобразователя с коэффициентом полезного действия (КПД) свыше 96 % в широком диапазоне нагрузок и устойчивое поддержание режима мягкой коммутации.

1. Wu J., Li X., Zhou S. et al. Constant-current, constant-voltage operation of a dual-bridge resonant converter: Modulation, design and experimental results // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, no. 24.

2. Gunawardena P., Nayanasiri D., Hou N. et al. A soft-switched current-fed dual-input isolated DC-DC converter topology // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2022. Vol. 70, no. 5. P. 4842–4853.

3. Пирогов А. А., Хорошайлова М. В., Назаренко Н. Г. и др. Анализ обеспечения целостности сигнала на печатной плате при проектировании высокопроизводительных вычислительных устройств. Вестник кибернетики. 2025. T. 24, № 2. С. 47–57. https://doi.org/10.35266/1999-7604-2025-2-6.

4. Хорошайлова М. В., Пирогов А. А., Демихова А. С. Схема выпрямителя для динамического улучшения эффективности преобразования мощности в системах сбора внешней радиочастотной энергии // Энергетика, информатика, инновации – 2024 : труды участников XIV Международной научно-технической конференции, Смоленск, 13–14 ноября 2024 г. Смоленск: Универсум, 2024. С. 115–119.

5. Wei Y., Luo Q., Mantooth A. Hybrid control strategy for LLC converter with reduced switching frequency range and circulating current for hold-up time operation // IEEE Transactions Power Electronics. 2021. Vol. 36, no. 8. P. 8600–8606.

6. Shi Z., Tang Y., Guo Y. et al. Optimal design method of LLC half-bridge resonant converter considering backflow power analysis // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2022. Vol. 69, no. 4. P. 3599–3608.

7. Lin J.-Y., Yueh H.-Y., Lin Y.-F. et al. Variable-frequency and phase-shift with synchronous rectification advance on-time hybrid control of LLC resonant converter for electric vehicles charger // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics. 2023. Vol. 4, no. 1. P. 348–356.