LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與運(yùn)用

1、LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與運(yùn)用沈萍 龔春英0 引言隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源向著高頻化、集成化、模塊化方向發(fā)展。提高開關(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零，從而使開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下開通或關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，達(dá)到降低開關(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

2、一類是開關(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。11 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，這就是說越來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。12 并聯(lián)諧振輸出端可以開路但不能短路，會損壞

3、諧振電容，并且過大的原邊回路電流對開關(guān)器件及電源都會產(chǎn)生沖擊；輕載時(shí)，不需通過大幅改變頻率來穩(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，開關(guān)管的通態(tài)損耗相對固定，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)載相對恒定的場合。13 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21 電路拓?fù)鋱D1為LLC型串并聯(lián)半橋諧振變換器電路，主開關(guān)管S1和S2是固定05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有兩個(gè)諧振諧振頻率，分別為Lm

4、與Lr、Cr產(chǎn)生的串并聯(lián)諧振頻率以及Lr和Cr產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率。22 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，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221 k的影響對于一個(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

5、邊開關(guān)管關(guān)斷時(shí)流過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)斷電流過小則會影響到零電壓開通，故k值的選擇應(yīng)擇中考慮開關(guān)頻率的范圍、零電壓開通及較小的關(guān)斷電流。222 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。對于特定的輸入電壓范圍Q值越小，所對應(yīng)的開關(guān)頻率范圍越小(對于f0<f<fr這種工作模態(tài)而言)，這樣有助于磁性元件的工作；但對于確定了的Lm和Lr，Q越小Cr越大，諧振腔的阻抗變小，使得變換器的短路特性變差，在負(fù)載較重的時(shí)候盡量選擇較小的Cr以達(dá)到要求的輸出電壓。3 電路分析當(dāng)開關(guān)頻率f<f0時(shí)可知諧振網(wǎng)絡(luò)呈容性狀態(tài)，不利于開關(guān)

6、管的ZVS開關(guān)，就不展開討論了，下面先以開關(guān)頻率范圍f0<f<fr來分析LLC諧振電路的工作過程。在f0<f<fr頻率范圍內(nèi)變換器會因負(fù)載不同，其工作過程也有所不同，當(dāng)電路工作在f0<f<fr范圍內(nèi)時(shí)Lr與Cr等效成一容Ceq，整個(gè)諧振腔等效為Lm和負(fù)載并聯(lián)再與Ceq，諧振腔阻抗到底呈感性還是容性就要根據(jù)頻率和負(fù)載的輕重(Q值大小)而定。運(yùn)用Saber軟件對LLC半橋諧振變換器在進(jìn)行仿真，并進(jìn)行模態(tài)分析。變換器Vin=270V，Vo=360V，額定功率500W，其中諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下：Lr=274，Lm=137，Cr=924n。31 不同負(fù)載下的仿真與分析31

7、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。Model(t0t1)：t0時(shí)刻S2關(guān)斷，諧振電流對C2、C1(分別為S2、S1的寄生電容)充放電，S1端電壓開始下降，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(t1t2)：t1時(shí)刻ZVS開通，諧振電流以正弦形式流經(jīng)S1。流過D1的電流為ir與iLm之差折合到副邊的值，由于T>Tr,ir經(jīng)過半個(gè)周期諧振之后S1仍開通，當(dāng)ir下降到iLm時(shí)流過D1和D4電流為零，實(shí)現(xiàn)了整流二極管

8、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，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，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程對稱，這里就不再詳述了。從模態(tài)分析可見整個(gè)工作過程中包括了兩個(gè)諧振過程，一個(gè)是Lr和Cr的諧振，另一個(gè)則是Lm與Lr、Cr一起諧振。312 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副邊整流二極管將不會導(dǎo)通。從ir和iLm的波形可以看出，向副邊傳輸?shù)哪芰肯鄬^小，原邊有較大環(huán)流存在，這使得變換器在

9、輕載時(shí)損耗較大，然而也正因?yàn)檩^大的環(huán)流保證了開關(guān)管在較輕載時(shí)也能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，如圖5所示。313 過載負(fù)載過重時(shí)諧振電容兩端電壓紋波較大，當(dāng)滿足條件時(shí)，其工作過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在諧振電容上，較高的VCr會使整流二極管導(dǎo)通，進(jìn)入另一個(gè)諧振過程。從圖6(a)的ir和iLm波形可見這個(gè)諧振過程開關(guān)管的關(guān)斷電流(即為ir的一部分)很小，小于iLm，會使另一MOS管的開通失去零電壓開通的條件，如圖6(b)所示，諧振回路呈容性。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，更有利于開關(guān)管的零電壓開關(guān)。3

10、2 與f>fr時(shí)的比較在開關(guān)頻率f0<f<fr的條件下諧振網(wǎng)絡(luò)呈感性，有助于開關(guān)管的ZVS開通，且在此頻率范圍內(nèi)副邊整流二極管的電流斷續(xù)，從而實(shí)現(xiàn)了整流二極管的零電流關(guān)斷，消除了反向恢復(fù)產(chǎn)生的損耗。而f>fr時(shí)的不同就在于由于f>fr在S2開通期間Lr和Cr諧振，諧振電流ir大于激磁電流iLm，S1關(guān)斷ir對C1、C2充放電ir下降，當(dāng)S2ZVS開通后ir迅速下降，下降到ir=iLm沒有能量傳送到副邊，此時(shí)副邊整流二極管完成換流，開始了另半個(gè)周期對稱的工作過程，可見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)會由于反向恢復(fù)帶來損耗。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，主開關(guān)管選用IRF460，副邊整流二極管選用DSEll212A，變壓器原副邊匝比n=0342，諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為Lr=274H，Lm=137H，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