LLC型串并聯(lián)諧振變換器的設計與實現

作者：時間：2011-12-18 來源：網絡

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1引言

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/231438.htm

重量輕、體積小、高效率的“綠色電源”已成為電源產品的發(fā)展方向?！败涢_關”技術是通過在開關電路中引入緩沖電感和電容，利用其諧振使得開關器件中電流或兩端電壓按正弦或準正弦規(guī)律變化，當電流自然過零時使器件關斷，當電壓下降到零時使器件開通，即零電流開關（ZCS）和零電壓開關（ZVS）[1]。對于中小功率直流變換器而言，采用高頻軟開關技術控制的半橋拓撲易于實現高頻化，減小變換器體積，進一步提高系統(tǒng)效率。

LLC型串并聯(lián)諧振變換器可實現在全電壓范圍及全負載條件下主功率管的ZVS和整流二極管的ZCS，效率較高，且有利于高頻化[2,3]。

2電路工作原理

半橋LLC串并聯(lián)諧振變換器電路結構如圖1所示，VT1、VT2組成上下一對橋臂，C1、C2和VD1、VD2分別為MOS管VT1、VT2的結電容和寄生反并二極管，諧振電感Lr、諧振電容Cr和變壓器激磁電感Lm構成諧振網絡，Cr也起了隔直電

容的作用。變壓器副邊為橋式整流，Co為輸出濾波電容。

LLC諧振變換器有兩個本征諧振頻率，定義由Lr和Cr發(fā)生諧振的諧振頻率為：

由Lr、Lm和Cr發(fā)生諧振時的諧振頻率為：

變換器工作在fmfsfr頻率范圍內，基于SABER仿真如圖2所示，VCr是Cr兩端電壓，Vds1為MOS管VT1漏-源電壓，io為輸出電流，ir和im分別為諧振電流和變壓器原邊激磁電流。

電路工作可分為兩個階段：

(1)傳輸能量階段：Lr和Cr流過正弦電流且ir>im，能量通過變壓器傳遞至副邊；

(2)續(xù)流階段：ir=im，原邊停止向副邊傳遞能量，Lr、Lm和Cr發(fā)生諧振，整個諧振回路感抗較大，變壓器原邊電流以相對緩慢的速率下降。

通過合理設計可以使MOS管實現ZVS，副邊整流二極管在ir=im時電流降至零，實現ZCS。變換器工作在fmfsfr頻率范圍內時較為有利。

3主電路參數設計

半橋LLC諧振電路是一非線性電路，采用基波法將其轉換為一線性電路（如圖3），推導得變換器直流增益Gdc為：

其中x為開關頻率fs相對于諧振頻率fr的歸一化頻率；n為變壓器原副邊匝比；系數k是Lr把Lm歸一化的量，定義k=Lm/Lr；串聯(lián)諧振電路品質因數為Q。

變換器能量傳遞主要由諧振網絡從輸入源側傳送到負載端，諧振網絡是整個變換器設計的重點。而LLC諧振變換器各參數間關系及影響較兩元件諧振變換器復雜，需在初步確定各參數值的基礎上再進行整體優(yōu)化。

先根據電壓增益和工作頻率選取n，n需滿足輕載下的最低直流增益要求。再根據式(3)在Vin最大且空載（Q=0）情況下須達到要求的Vo來選取k值。當n、k固定時，Gdc、x和Q的關系如圖4所示。每條增益曲線隨著頻率的增大都是先

增大后減小，在某個頻率點處都有一拐點，且隨Q的增大最大直流增益減小，拐點頻率則增大。

圖5中im的仿真波形分別是在重載、額定載荷、輕載三種不同負載下得到的，從左到右負載變輕即Q減小，最右邊電流波形（圖中的實線）是近乎于空載的情況。Vin和x一定時，由于Q減小Lm兩端電壓增大（但ΔuL較?。?，im有所增大且

變化較小，電流滯后于電壓的相位角也增大，在負載很輕時（圖中用實線表示），電流與電壓之間的夾角將近90°。

對于各Q值相應的Gdc曲線上的拐點，在此引入歸一化輸入阻抗：

式中Zn為歸一化輸入阻抗，Zin為諧振網絡的輸入阻抗，Zr為特征阻抗Zr=2πfrLr。當輸入阻抗呈阻性時得：

諧振網絡工作在感性區(qū)時，電流滯后于電壓，當一橋臂驅動信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，電流對上、下橋臂MOS管結電容充放電，使得另一橋臂零電壓開通。x>xz時工作于感性區(qū)域，由式(3)和(5)得：

Qmax是在輸入阻抗為阻性時的值，工程上一般取5%的余量，即QZVS1=95%·Qmax。

變換器從空載至滿載均要實現零電壓開關，則空載且Vin最大時仍需滿足零電壓開關的條件：

其中Ceq為MOS管的寄生結電容，td為VT1、VT2均沒有觸發(fā)信號的死區(qū)時間。

在fmfsfr范圍內選取Q≤Qmin{QZVS1,QZVS2}，確保隨著Vin升高，為維持Vo而提高開關頻率的變換器仍工作在感性區(qū)域。

圖6表示n、Q一定，不同k值時Gdc曲線圖，可見k值越小時相同頻率變化范圍內Gdc變化越明顯，有利于寬Vin范圍的調節(jié)；而k越小在一定程度上Lm越小，則由電流增加帶來的開關管及變壓器損耗的增加會影響變換效率。k值越大時最大Gdc越小，Vin較低時使得Vo無法滿足設計要求，且k越大fm和fr間頻率范圍越大，不利于磁性元件的設計，需折中優(yōu)化選取k值。