一、引言

氢能作为清洁、高效的二次能源，在新能源转型中占据重要地位，而电解水制氢是当前规模化绿氢生产的主流技术。制氢电源作为电解水制氢系统的核心部件，需为电解槽提供稳定的高功率直流输出，且需适应电解槽在不同工作阶段（启动、稳定运行、负载波动）的电压与电流需求。传统制氢电源多采用相移全桥变换器，但该拓扑存在开关损耗大、轻载效率低及宽电压输出时性能不稳定等问题，难以满足高功率制氢场景的高效运行需求。

LLC谐振变换器凭借软开关特性、高功率密度及宽电压增益范围等优势，在新能源发电、储能等领域广泛应用。相较于单相LLC谐振变换器，三相LLC谐振变换器通过多相叠加，可有效降低输入电流纹波与输出电压纹波，提升功率等级与系统稳定性，更适配制氢电源的高功率需求。目前，三相LLC谐振变换器的研究多集中于新能源汽车充电、工业电源等领域，针对制氢电解槽负载特性（低电压、大电流、负载易波动）的专项优化研究仍需补充。本文针对制氢电源的应用场景，设计三相LLC谐振变换器，通过拓扑分析、参数优化与实验验证，实现其与制氢电解槽的高效匹配。

二、三相LLC谐振变换器拓扑与工作原理

（一）拓扑结构设计

本文采用的三相LLC谐振变换器拓扑如图1所示（注：文中拓扑图略，实际论文需补充），主要由三相全桥逆变器、三相LLC谐振网络、三相全桥整流器及滤波电容组成。其中，三相全桥逆变器由6个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成，将输入直流电压逆变为高频交流电压；三相LLC谐振网络由3组谐振电感Lr、励磁电感Lm及谐振电容Cr组成，实现能量传递与软开关；三相全桥整流器将高频交流电压整流为直流电压，经滤波电容Cout滤波后为制氢电解槽供电。

该拓扑采用Y型连接的谐振网络，通过三相之间的相位差（120°），使输入电流与输出电压纹波相互抵消，降低对输入电源与负载的纹波要求，同时提升变换器的功率处理能力，适配制氢电源的高功率需求。

（二）工作原理分析

三相LLC谐振变换器采用调频控制策略，通过调节开关频率f_s与谐振频率f_r的比值（f_s/f_r）改变电压增益。当f_s＜f_r时，变换器工作在容性区域，IGBT实现零电压开通（ZVS）；当f_s＞f_r时，工作在感性区域，整流二极管实现零电流关断（ZCS）。在制氢场景中，电解槽启动阶段需低电压大电流，稳定运行阶段需较高电压，通过调节开关频率，可实现30V-150V的宽范围输出电压，匹配电解槽不同工作阶段的需求。

基于基波分析法（FHA），忽略高频谐波成分，将三相LLC谐振网络等效为交流电阻负载。推导得到电压增益G的计算公式为：

G=(π√3/6)×(1/√[(1-(f_r/f_s)²)²+(f_r/(f_s×Q))²])

其中，Q为品质因数（Q=ω_r L_r/R_ac，R_ac为等效交流电阻），ω_r为谐振角频率（ω_r=1/√(L_r C_r)）。由公式可知，电压增益随开关频率降低而增大，通过调节开关频率可精准控制输出电压，满足制氢电解槽的电压需求。

三、关键参数优化设计

（一）谐振参数设计

结合制氢电源额定功率15kW、输入电压700V、输出电压30V-150V的需求，对三相LLC谐振网络参数进行优化。首先确定谐振频率f_r，考虑到IGBT的开关损耗与磁性元件体积，选取f_r=100kHz；根据电压增益公式，当输出电压最低（30V）时，需最大增益G_max=150/700≈0.214，代入公式计算得到Q=0.5；结合Q值与等效交流电阻R_ac，计算得到谐振电感L_r=45μH，励磁电感L_m=450μH（取L_m=10L_r，保证软开关范围），谐振电容C_r=56nF（每组）。

（二）开关管与磁性元件选型

开关管选用英飞凌IKW40N120H3型IGBT，其额定电压1200V、额定电流40A，满足变换器的电压与电流需求，且开关损耗低，适配高频工作场景；整流二极管选用Vishay VS-30CPQ100型快恢复二极管，反向恢复时间短，降低关断损耗。

磁性元件方面，谐振电感与励磁电感采用铁粉芯磁芯（型号PQ5050），绕组采用多股漆包线绕制，降低趋肤效应；变压器采用三明治绕法，减小漏感，提升能量传递效率，确保变换器在高功率下稳定运行。

四、实验验证与结果分析

（一）实验平台搭建

搭建额定功率15kW的三相LLC谐振变换器实验平台，输入侧采用700V直流电源，输出侧接模拟制氢电解槽的可变电阻负载；控制单元采用TI TMS320F28335型DSP，实现开关频率调节与保护功能；测试仪器包括示波器（Tektronix MDO3024）、功率分析仪（Yokogawa WT3000）及直流电子负载（Chroma 63200），用于测量输出电压、电流、效率及动态响应。

（二）静态特性测试

在输出电压30V-150V范围内，测试变换器的输出电压精度与效率。结果显示，输出电压误差均小于±2%，满足制氢电解槽对电压精度的要求；效率测试结果表明，当输出功率8kW-15kW时，效率维持在94%以上，最高效率达96.8%（输出电压100V、功率12kW时），相较于传统相移全桥变换器，效率提升约3%-5%，验证了该变换器的高效性。

（三）动态响应测试

模拟制氢电解槽负载突变场景（负载电流从50A突变至100A，再从100A突变至50A），测试变换器的动态响应。结果显示，负载突变时输出电压超调量小于5%，动态恢复时间小于200μs，无明显电压跌落或过冲，表明变换器具有良好的动态抗扰能力，可适应制氢过程中电解槽的负载波动。

五、结论

本文针对制氢电源的高功率、宽电压输出需求，研究并设计三相LLC谐振变换器。通过拓扑分析与参数优化，确定基于调频控制的三相LLC谐振变换器方案，实现30V-150V宽范围输出电压；搭建15kW实验平台，测试结果表明该变换器最高效率达96.8%，动态响应快速稳定，可有效匹配制氢电解槽的负载特性。该研究为制氢电源的功率变换模块提供了高效、可靠的技术方案，也为三相LLC谐振变换器在低电压大电流场景的应用提供参考。后续可进一步优化磁性元件结构，降低损耗，提升变换器在轻载工况下的效率。

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