LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與應(yīng)用

　　隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源向著高頻化、集成化、模塊化方向發(fā)展。提高開(kāi)關(guān)頻率能減小體積，提高功率密度及可靠性，平滑變化的波形和較小的電壓／電流變化率也有利于改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低開(kāi)關(guān)噪聲。功率諧振變換器以諧振電路為基本的變換單元，利用諧振時(shí)電流或電壓周期性的過(guò)零，從而使開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流條件下開(kāi)通或關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，達(dá)到降低開(kāi)關(guān)損耗的目的，進(jìn)一步提高頻率，因此得到了重視和研究。

　　l 諧振電路

　　諧振網(wǎng)絡(luò)通常由多個(gè)無(wú)源電感或電容組成，由于元件個(gè)數(shù)和連接方式上的差異，常見(jiàn)實(shí)用的諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致分為兩類：一類是負(fù)載諧振型，另一類是開(kāi)關(guān)諧振型。負(fù)載諧振型變換器是一種較早提出的結(jié)構(gòu)，注重電源電壓轉(zhuǎn)換比特性的改善，按照諧振元件的諧振方式可分為串聯(lián)諧振變換器、并聯(lián)諧振變換器以及兩者結(jié)合產(chǎn)生的串并聯(lián)諧振變換器。

　　1．1 串聯(lián)諧振

　　由于是串聯(lián)分壓方式，其直流增益總是小于1，類似BUCK變換器；輕載時(shí)為穩(wěn)住輸出電壓，必須提高開(kāi)關(guān)頻率，在輕載或空載的情況下，輸出電壓不可調(diào)，輸入電壓升高使系統(tǒng)的工作頻率將越來(lái)越高于諧振頻率，而諧振頻率增加，諧振腔的阻抗也隨之增加，這就是說(shuō)越來(lái)越多的能量在諧振腔內(nèi)循環(huán)而不傳遞到副邊輸出；但在負(fù)載串聯(lián)諧振中，流過(guò)功率器件的電流隨著負(fù)載變輕而減小，使通態(tài)損耗減小。

　　1．2 并聯(lián)諧振

　　輸出端可以開(kāi)路但不能短路，會(huì)損壞諧振電容，并且過(guò)大的原邊回路電流對(duì)開(kāi)關(guān)器件及電源都會(huì)產(chǎn)生沖擊；輕載時(shí)，不需通過(guò)大幅改變頻率來(lái)穩(wěn)住輸出電壓，與串聯(lián)諧振相比變換器工作范圍更大，可工作至空載；當(dāng)輕載時(shí)輸入電流變化不大，開(kāi)關(guān)管的通態(tài)損耗相對(duì)固定，在輕載時(shí)的效率比較低，較為適合工作于額定功率處負(fù)載相對(duì)恒定的場(chǎng)合。
　1．3 串并聯(lián)諧振

　　輸出電壓可高于或低于電源電壓，且負(fù)載變化范圍寬，是目前研究領(lǐng)域中較主流的結(jié)構(gòu)。

　　2 諧振參數(shù)分析

　　2．1 電路拓?fù)?/P>

　　圖1為L(zhǎng)LC型串并聯(lián)半橋諧振變換器電路，主開(kāi)關(guān)管S1和S2是固定0．5占空比互補(bǔ)導(dǎo)通，Lr、Cr與變壓器的并聯(lián)電感Lm構(gòu)成LLC諧振網(wǎng)絡(luò)，整流二極管直接連接到輸出電容上。

LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與運(yùn)用

　　LLC有兩個(gè)諧振諧振頻率，分別為L(zhǎng)m與Lr、Cr產(chǎn)生的串并聯(lián)諧振頻率 LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與運(yùn)用以及Lr和Cr產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率。

　　2．2 參數(shù)影響

　　LLC諧振變換器是在串聯(lián)／并聯(lián)諧振變換器的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，由于較前兩者多了一個(gè)諧振元件其設(shè)計(jì)運(yùn)用也變得復(fù)雜。根據(jù)交流分析法得到LLC諧振變換器的輸入輸出特性為

LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與運(yùn)用

　2．2．1 k的影響

　　對(duì)于一個(gè)輸入輸出和功率一定的變換器而言，匝比n固定，如圖2(a)所示，在某一Q下，不同的k值所帶來(lái)的影響：隨著k值的增大，最大增益在減小，在輸入電壓較低時(shí)也許達(dá)不到所要求的輸出電壓，且隨著k值的增大，為保證所需的輸出電壓使得變換器的工作頻率范圍變寬，這不利于磁性元件的工作；但k越小則 Lm越小，Lm兩端電壓值一定，由于感值的減小其電流峰值增大，而原邊開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)流過(guò)的即為激磁電感的峰值電流，存在較大的關(guān)斷損耗，但若此關(guān)斷電流過(guò)小則會(huì)影響到零電壓開(kāi)通，故k值的選擇應(yīng)擇中考慮開(kāi)關(guān)頻率的范圍、零電壓開(kāi)通及較小的關(guān)斷電流。

LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與運(yùn)用

　　2．2．2 Q的影響

　　在確定了n和k值的情況下，Q值的大小直接關(guān)系到直流增益是否足夠大。對(duì)于特定的輸入電壓范圍Q值越小，所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)頻率范圍越小(對(duì)于 f0

　　3 電路分析

　　當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率f

　　在f0

　　3．1 不同負(fù)載下的仿真與分析

　　3．1．1 滿載

　　滿載情況下的模態(tài)分析及仿真波形分別如圖3及圖4所示。

LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與運(yùn)用

　Model(t0～t1)：t0時(shí)刻S2關(guān)斷，諧振電流對(duì)C2、C1(分別為S2、S1的寄生電容)充放電，S1端電壓開(kāi)始下降，當(dāng)降為零時(shí)S1的體二極管導(dǎo)通，為S1的ZVS創(chuàng)造條件。變壓器原邊電壓為上正下負(fù)，D1和D4導(dǎo)通，Lm兩端電壓被箝位為nVo，iLm線性上升，諧振只發(fā)生在Lr和Cr之間，Lm未參與諧振。

　　Mode2(t1～t2)：t1時(shí)刻ZVS開(kāi)通，諧振電流以正弦形式流經(jīng)S1。流過(guò)D1的電流為ir與iLm之差折合到副邊的值，由于T>Tr,ir經(jīng)過(guò)半個(gè)周期諧振之后S1仍開(kāi)通，當(dāng)ir下降到iLm時(shí)流過(guò)D1和D4電流為零，實(shí)現(xiàn)了整流二極管的ZCS關(guān)斷。

　　Mode3(t2一t3)：D1和D4 ZCS關(guān)斷后變壓器原副邊完全脫開(kāi)，諧振網(wǎng)絡(luò)不再向副邊傳輸能量，Lm便不再被箝位于nVO,Lm與Lr、Cr一起諧振，由于Lm較Lr大得多，此時(shí)的諧振周期明顯變長(zhǎng)，近似認(rèn)為ir保持不變。t3時(shí)刻S1關(guān)斷。

　　下半個(gè)周期的分析與上述過(guò)程對(duì)稱，這里就不再詳述了。

　　從模態(tài)分析可見(jiàn)整個(gè)工作過(guò)程中包括了兩個(gè)諧振過(guò)程，一個(gè)是Lr和Cr的諧振，另一個(gè)則是Lm與Lr、Cr一起諧振。

　　3．1．2 輕載

　　當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，諧振電容上的電壓變低，如果其兩端電壓降到滿足條件

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　　副邊整流二極管將不會(huì)導(dǎo)通。從ir和iLm的波形可以看出，向副邊傳輸?shù)哪芰肯鄬?duì)較小，原邊有較大環(huán)流存在，這使得變換器在輕載時(shí)損耗較大，然而也正因?yàn)檩^大的環(huán)流保證了開(kāi)關(guān)管在較輕載時(shí)也能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，如圖5所示。

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　3．1．3 過(guò)載

　　負(fù)載過(guò)重時(shí)諧振電容兩端電壓紋波較大，當(dāng)滿足條件

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　　時(shí)，其工作過(guò)程較滿載情況下有所不同，在諧振電流ir下降到等于iLm后由于有太多的能量存儲(chǔ)在諧振電容上，較高的VCr會(huì)使整流二極管導(dǎo)通，進(jìn)入另一個(gè)諧振過(guò)程。從圖6(a)的ir和iLm波形可見(jiàn)這個(gè)諧振過(guò)程開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷電流(即為ir的一部分)很小，小于iLm，會(huì)使另一MOS管的開(kāi)通失去零電壓開(kāi)通的條件，如圖6(b)所示，諧振回路呈容性。

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　　從上面的仿真分析可知，當(dāng)頻率一定時(shí)負(fù)載越重橋臂中點(diǎn)間阻抗越易呈容性，負(fù)載越輕則易呈感性，更有利于開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)。

　　3．2 與f>fr時(shí)的比較

　　在開(kāi)關(guān)頻率f0

　　而f>fr時(shí)的不同就在于由于f>fr在S2開(kāi)通期間Lr和Cr諧振，諧振電流ir大于激磁電流iLm，S1關(guān)斷ir對(duì)C1、C2充放電 ir下降，當(dāng)S2ZVS開(kāi)通后ir迅速下降，下降到ir=iLm沒(méi)有能量傳送到副邊，此時(shí)副邊整流二極管完成換流，開(kāi)始了另半個(gè)周期對(duì)稱的工作過(guò)程，可見(jiàn) Lm一直未參與諧振，更像是普通諧振，同時(shí)整流二極管上電流連續(xù)，換流時(shí)會(huì)由于反向恢復(fù)帶來(lái)?yè)p耗。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與波形

　　在上述理論分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)270V輸入，360V輸出，300W的LLC諧振半橋變換器，主開(kāi)關(guān)管選用IRF460，副邊整流二極管選用 DSEll2—12A，變壓器原副邊匝比n=0．342，諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為L(zhǎng)r=27．4μH，Lm=137μH，Cr=92nF。如圖7所示，VAB為橋臂中點(diǎn)電壓，ir為諧振回路電流的實(shí)驗(yàn)波形圖。圖8和圖9分別是滿載與輕載時(shí)上、下兩個(gè)MOS管的vgs和vds波形，從實(shí)驗(yàn)中也可以看出即使在較輕負(fù)載的情況下仍然能滿足開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通的條件，LLC諧振變換器能在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，在300W時(shí)其變換效率可達(dá)95％以上。

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