寬電壓輸入半橋型LLC諧振變換器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

摘要：半橋型LLC諧振變換器由于拓?fù)浜?jiǎn)單、工作效率高而得到廣泛研究。此處針對(duì)寬電壓輸入的工作情況，采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)，避免了傳統(tǒng)PWM控制占空比變化范圍大的問(wèn)題。為了提升變換器效率，對(duì)各關(guān)鍵諧振參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析了其對(duì)電源輸出特性的影響，使得初級(jí)開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通(ZVS)，次級(jí)二極管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷(ZCS)。結(jié)合理論數(shù)學(xué)推導(dǎo)和增益曲線分析，設(shè)計(jì)了一臺(tái)100 W的變頻半橋型LLC諧振變換器樣機(jī)，并完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性，樣機(jī)的最大效率達(dá)到93.95%。同時(shí)對(duì)變換器進(jìn)行了損耗分析，以便進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：變換器;寬電壓輸入;脈沖頻率調(diào)制

1 引言

半橋型DC/DC變換器廣泛用于中小功率場(chǎng)合。通過(guò)增大開(kāi)關(guān)頻率，可有效減小電源體積和重量，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)管損耗，影響電源電能質(zhì)量及工作效率。在所有工作條件下實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)可很好地解決上述問(wèn)題。相比傳統(tǒng)諧振變換器，變頻LLC型諧振變換器由于特殊工作性能可在寬電壓輸入范圍內(nèi)方便地穩(wěn)定電壓或電流。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，寄生元件亦可參與諧振過(guò)程。初級(jí)開(kāi)關(guān)管可方便地實(shí)現(xiàn)ZVS，關(guān)斷電流小;次級(jí)整流二極管可實(shí)現(xiàn)ZCS，消除反向恢復(fù)時(shí)二極管損耗和振蕩。在控制方法上采用PFM，開(kāi)關(guān)管占空比保持在0.5，解決了寬電壓輸入情況下占空比變化大的問(wèn)題，使得開(kāi)關(guān)頻率增加，從而進(jìn)一步減小了變換器的體積和重量。

此處分析了變頻半橋型LLC諧振變換器的工作原理和軟開(kāi)關(guān)特性，分析了參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)變換器性能的影響，以此為基礎(chǔ)完成了電路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變換器設(shè)計(jì)的正確性。測(cè)試了電路的效率并完成了相應(yīng)的損耗分析。

2 LLC諧振變換器特點(diǎn)和參數(shù)分析

2.1 LLC諧振變換器拓?fù)?/p>

圖1示出半橋型LLC諧振變換器結(jié)構(gòu)。LLC諧振變換器存在兩個(gè)諧振頻率：Lr和Cr的諧振頻率

，Lr，Cr和Lm共同發(fā)生諧振頻率

。

通過(guò)仿真可知，當(dāng)諧振變換器工作頻率處于fmfr時(shí)，次級(jí)整流二極管均能實(shí)現(xiàn)ZCS。以上兩種工況無(wú)法使變換器達(dá)到最優(yōu)性能，因此不再進(jìn)一步展開(kāi)研究。

圖2示出半橋型LLC諧振變換器等效電路。當(dāng)次級(jí)采用半波整流電路時(shí)，折算到初級(jí)的等效電阻Re=8n2RL/π2，n為變壓器匝比。由文獻(xiàn)推導(dǎo)可知uab和ucd交流基波電壓eab和ecd的增益為：

為便于對(duì)電路性能分析，將式(1)中一些參數(shù)進(jìn)行定義。Lm/Lr定義為諧振電感系數(shù)K，反映了電路中電感參數(shù)的性質(zhì)。

定義為品質(zhì)因數(shù)Q，反映了串聯(lián)諧振元件和負(fù)載的相互特性。由以上分析可得直流增益為：

由式(2)可知，Gdc與K，n，Q及開(kāi)關(guān)頻率有著密切關(guān)系。正確地選擇參數(shù)方能保證變換器滿足一定的性能指標(biāo)。

2.2 參數(shù)分析

在n=6，fr=200 kHz，Q=0.4時(shí)，當(dāng)K較小時(shí)，fm較大，最大Gdc較高;當(dāng)K增大時(shí)，fm隨之減小，最大Gdc降低。fr不受K變化的影響。若K值選擇過(guò)大，可能導(dǎo)致不能達(dá)到最大Gdc的要求;若K值選擇過(guò)小，則Lm較小，通過(guò)Lm的電流峰值會(huì)相應(yīng)增大以維持電壓不變，增大的電流會(huì)使電感銅損增大從而降低變換器效率。選擇K時(shí)需折中考慮。