半橋LLC諧振變換器的建模及仿真研

1、半橋LLC諧振變換器的建模及仿真研究吳張勇 陳小鵬 于建閣 齊立鵬（浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院 金華 321004）摘要：近些年來，由于LLC諧振變換器具有開關(guān)損耗小，功率密度高等優(yōu)點受到廣大工程師的青睞。本文介紹了半橋型LLC諧振變換器拓撲的工作原理，通過基波等效模型分析了電路的直流增益特性，利用Matlab軟件繪出了其直流增益曲線，并以此增益曲線為依據(jù)討論了各參數(shù)對LLC諧振變換器的影響，以24V/192W電源為例計算出了LLC諧振變換器的變壓器匝比、諧振電感、諧振電容和勵磁電感等參數(shù)。最后，我們用Saber軟件進行仿真，通過更改一些參數(shù)的方法驗證了上述理論分析的正確性。關(guān)鍵詞：LLC

2、諧振變換器；建模分析；高功率密度；Saber仿真中圖分類號：N945.12 文獻標(biāo)識碼：AModeling and Simulation Analysis of Half-bridge LLC Resonant Converter WU Zhangyong CHEN xiaopeng YU jiange QI lipeng(College of Mathematics，Physics and Information Engineering，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China）Abstract:In recent years, the L

3、LC resonant converter with a small switching loss, high power density advantage is favored by the majority of engineers of all ages.Introduction was made to the working principle of topology for the half-bridge LLC resonant converter in this paper,through fundamental analysis of the circuit equivale

4、nt model of the DC gain characteristics use of Matlab software plots the DC gain curve, and as a basis for discussion of the various parameters on the impact of LLC resonant converter, for example to 24V/192W calculate the LLC resonant converter transformer turns ratio, resonant inductor, resonant c

5、apacitor and the magnetizing inductance and other parameters.Finally, we use the Saber simulation software, verified the correctness of the theoretical analysis by changing the parameters.Keywords: LLC resonant converter;Modeling and analysis; high power density; Saber Simulation 0 引言從技術(shù)上看，幾十年來推動電力電

6、子技術(shù)水平不斷提高的主要標(biāo)志是高頻化、高效率、高功率密度等1。為了增加功率密度，必須實現(xiàn)高頻化，即提高開關(guān)頻率，但又要同時提高變換器的效率，就必須減小開關(guān)損耗，諧振變換器正是由于其開關(guān)損耗小等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。LLC諧振變換器理論上可實現(xiàn)初級開關(guān)管零電壓開通(ZVS)，且關(guān)斷電流較小，次級整流管可實現(xiàn)零電流開斷(ZCS)的特點2，它既吸取串聯(lián)諧振變換器諧振槽路電流隨負載輕重而變化，輕載時效率較高的優(yōu)點，又兼具并聯(lián)諧振變換器在空載下也能穩(wěn)定工作。因此，LLC諧振變換器是一種比較理想的諧振變換器拓撲，對其研究具有重要的理論意義和實用價值3。1 原理概述半橋LLC諧振變換器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，諧

7、振回路由諧振電感(串聯(lián)電感)和勵磁電感（并聯(lián)電感)以及一個諧振電容串聯(lián)組成，變換器由該三元件組成，也由此而得名。圖 1 半橋LLC諧振變換器拓撲結(jié)構(gòu)LLC諧振變換器有兩個諧振頻率,一個是由和 串聯(lián)諧振決定,此時并聯(lián)電感上的電壓被輸出電壓箝位，不參與諧振；另一個由 、和三者的并聯(lián)諧振決定。即： 半橋LLC諧振變換器在一個周期內(nèi)可以分為6個工作模式，其中為串聯(lián)諧振電流，為并聯(lián)電感電流。工作模式1(t0tl):t0時刻，諧振電感電流給開關(guān)管S1的寄生電容放電，S1的漏源電壓開始下降，當(dāng)降到零時，S1的體二極管開始導(dǎo)通，為S1的零電壓開通提供了條件。此模式下整流二極管D1導(dǎo)通，并聯(lián)電感Lp上的電壓被變

8、壓器鉗位在n倍輸出電壓上，其中n為變換器匝比，因此只有和參與諧振。工作模式2(tlt2):t1時刻，S1零電壓開通。此時仍不參與諧振，其上的電流線性上升，在t2達到了峰值，按正弦波規(guī)律增加。次級二極管極管仍是D1導(dǎo)通，流過D1的電流是和之差。t2時刻，D1電流為0，副邊二極管零電流關(guān)斷。工作模式3(t2t3):t2時刻D1關(guān)斷后，輸出側(cè)與諧振網(wǎng)絡(luò)完全分開，輸出電感給負載供電。此模式下也以并聯(lián)諧振頻率諧振參與諧振，到t3時刻S1以較小的電流關(guān)斷。接下來的半個工作周期和上面的工作過程相似，只是方向相反了。從上面的分析可看出開關(guān)管S1和S2都實現(xiàn)了零電壓開通，次級整流二極管都實現(xiàn)了零電流關(guān)斷，開關(guān)損

9、耗很小，具有極高的效率。2 等效模型的建立和分析上面的分析都是純理論的，要實現(xiàn)真正的軟開關(guān)4，達到最低開關(guān)損耗需要建立等效模型分析設(shè)計各參數(shù)才能獲得。由于開關(guān)管是上下互補導(dǎo)通的，所以在諧振網(wǎng)絡(luò)的左邊得到一方波電壓，而從變壓器副邊折算到也同樣為一方波電壓，由此我們用基波等效模型來研究LLC諧振變換器的輸入輸出特性。圖2為LLC諧振變換器的基波等效電路。圖 2 LLC諧振變換器基波等效電路其中，與實際負載的關(guān)系為：式中為正弦波流經(jīng)電阻上產(chǎn)生的功率與方波產(chǎn)生的功率的關(guān)系比。由等效電路得交流基波的電壓增益： (1) 式（1）中為串聯(lián)諧振頻率，f為開關(guān)頻率，n為變壓器匝比，K定義為：Q定義為串聯(lián)諧振的品

10、質(zhì)因數(shù)：,通過對諧振槽路的輸入電壓進行傅里葉變換5得到其基波分量： （2）由（2）式可得輸入方波電壓基波有效值： （3）同理可得輸出方波電壓基波有效值： （4）所以直流增益：（5）變換上面式子可得直流增益表達式： （6）式（6）中可看出影響直流增益的參數(shù)有比例系數(shù)K、串聯(lián)諧振品質(zhì)因數(shù)Q、變壓器匝比n等，由于各參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜，相互影響，所以我們在分析一個參數(shù)時先固定其它幾個，只變動一個參數(shù)來觀察其對變換器的影響。2.1 品質(zhì)因數(shù)Q對變換器的影響固定K和n值，來看一下K值對變換器的影響。圖3是用Matlab軟件在K=3，n=31時不同Q值下直流增益隨歸一化頻率的變化曲線。圖中可看出隨著Q的增大，

11、增益曲線的最大增益越小，即在變壓器空載時，增益最大，要使輸出電壓恒定，必須增加開關(guān)頻率；在滿載時，增益最小，需要減小開關(guān)頻率來維持輸出穩(wěn)定。由于開關(guān)頻率在和之間時諧振網(wǎng)絡(luò)呈感性，有利于開關(guān)管的零電壓開通和二極管的零電流關(guān)斷，所以設(shè)計一個在滿載情況下滿足變換器增益要求的Q值就能滿足其他情況的要求了。項目來源: 浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃（新苗人才計劃） ( 2011)資助圖3 K=3，n=31時變換器的直流增益曲線圖4 Q=0.3，n=31時變換器的直流增益曲線2.2 比例系數(shù)K對變換器的影響同理，圖4是Q=0.3，n=31時不同K值下直流增益隨歸一化頻率的變化曲線。分析圖可知，隨著K的增大，

12、最大增益也隨著減小了。如果K取得較大，當(dāng)輸入電壓較低時，可能無法達到需要保持的輸出電壓；再者，若串聯(lián)諧振頻率已確定，工作頻率將隨著拐點頻率的減小而變寬，這樣對磁性元件是不利的，應(yīng)避免K值過大。但是K取得較小時，并聯(lián)諧振電感也較小，此時其上的電流較大，損耗也較大，所以K也應(yīng)避免取得過小，應(yīng)折中選取，一般取37比較合適。2.3 匝比n對變換器的影響從式（6）和圖3可以看出，在時，無論Q值為多少變換器的直流增益都等于。所以，當(dāng)設(shè)計的n滿足變換器的最小增益小于等于時變換器將工作在區(qū)域；當(dāng)設(shè)計的n使大于變換器的最小增益時變換器有一部分工作在區(qū)域，此時整流二極管不能零電流關(guān)斷；當(dāng)設(shè)計的n使得大于變換器的最

13、大增益時，變換器將一直工作在f>fs區(qū)域內(nèi)。一般將輸入電壓的最高頻率固定在，所以n通常取：。3 參數(shù)選取及仿真驗證我們以192W的電源為例，設(shè)計的輸入電壓為400V，輸出24V/8A。根據(jù)上面的理論分析和實際經(jīng)驗，我們?nèi)和Q的值分別為5、0.4，變壓器匝比為36：4：4，此時經(jīng)計算得出=20nF，=127uH，=635uH,開關(guān)頻率設(shè)為99KHz，用Saber軟件6畫出了其仿真電路，圖5為其正常工作滿載時的仿真結(jié)果，其中為開關(guān)管漏源兩級電壓，為柵源兩級電壓，、分別諧振電感和勵磁電感兩端電流，、為次級二極管電流。圖中可看出開關(guān)管能零電壓開通和零電流關(guān)斷實現(xiàn)了真正的軟開關(guān)。當(dāng)我們改變K的值

14、，取K=10(=1260uH)，仿真結(jié)果如圖6所示，此時開關(guān)管零電壓開關(guān)和零電流關(guān)斷不明顯了,次級二極管電流也有了一定畸變，此時不能得到正真的軟開關(guān)，仿真結(jié)果和上面的分析相符。項目來源: 浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃（新苗人才計劃）（編號：2011R404024）圖5 滿載正常工作時仿真波形圖6 更改K值后的仿真波形4 結(jié)論實驗證明 ,通過對變換器建立基波等效模型并分析各參數(shù)對變換器的影響,從而選取合適的變換器參數(shù) ,能有效優(yōu)化變換器工作性能 ,使半橋 LLC諧振變換器開關(guān)器件實現(xiàn)零電壓開通和零電流關(guān)斷，把開關(guān)損耗降到最低。參考文獻1 朱建華，羅方林功率諧振變換器及其發(fā)展方向電工電能新技術(shù)，2

15、004，23(1)：5559.2 陳 偉,王志強.半橋 LLC諧振變換器穩(wěn)態(tài)建模及分析.通信電源技術(shù),2008,25（4）：17-19.3 YANG Bo, LEE F C, ZHANG A J,et al. LLC Resonant Converter for Front End DC/DC ConversionC/Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2002, 2：1108-1112.4王增福，李昶, 魏永明.軟開關(guān)電源原理與應(yīng)用.第一版 北京：電子工業(yè)出版社,2006，4-8.5鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理.信號與系統(tǒng).第二版 北京：高等教育出版社，2009，88-1576黃志武 ,秦惠.SABER仿真在LLC諧振變換器開發(fā)與設(shè)計中的應(yīng)用.通信電源技術(shù),2008,25(2):74-77.作者簡價： 吳張勇，男，1988年生，