半橋LLC諧振變換器設(shè)計與仿真(南京航空航天大學)_.

1、1諧振變換器技術(shù)半橋LLC諧振變換器設(shè)計與仿真石祥花2010-10-26南該航空航夭大學minc. rviMTY(9 AiMMnifr時，開關(guān)管Q-ZVS：，輕載時，fs耍變化彳從大才能保 證輸出電壓不變；Vin增人時,fs增人便輸出電壓 保持不變。此時諧振腔的阻抗也堆人，則 諧振腔內(nèi)有很高的能量在循環(huán), 而并沒冇把這些能量供給負載， 并H.使半導體器件的應(yīng)力増人。因此，串聯(lián)諧振變換器存在一些不利因素：輕載調(diào)整 率高、高的諧振能最、高輸入電圧時較人的關(guān)斷電流。MieNC. rMMMTY (V AMDHMmi 11.2 PRC （并聯(lián)諧振電路）Dr2MieNC. rMMMTY (V AMDHMm

2、i 1DC Characteristic of PRC10860.50 70.9 hl 113f$/fr 1在輕載時，頻率變化不人即可0PRC的直流特性曲線根據(jù)其直流特性町知： fsfr時，實現(xiàn)軟開關(guān)； 輕載時，fs并不雯變化很 大來維持輸出電壓不變： Vin增大時，fs增大來維持輸出電壓不變。；此時諧振腔內(nèi)循環(huán)的能裳 依然很大，即使足在輕載的 條件下，山J：負載與電容并 聯(lián)，仍然有一個比較小的串 聯(lián)阻抗。與SRC相比，PRC優(yōu)點： 保證輸山電壓不變。PRC的缺點：高的諧振能量、高輸入也世叮公凱也頂鉉艇 人會引起較人的關(guān)斷損耗。八仏航空機入大與、7 1J 1 JMMNGfBMMYY(VAfJO

3、HWlICIMl)ATOi1.3SPRC (串并聯(lián)諧振電路)串并聯(lián)諧振電路仃兩種形式OLCC形式rwmwrr v avummfih i moArmrame 粧 c對于LCC電路，存在兩個諧振頻率:H 2兀應(yīng)7f1r2 2 也 d顯然，fr2frl o由直流特性曲線可知： 當fr2fsfrl,這樣低頻諧振點沒有利用。從這個方案可以看出，可以利用雙諧振網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn) ZVS,如果將LCC的直流特性左右翻轉(zhuǎn)，那么低頻諧振點 就可以利用上。因此，岀現(xiàn)了特性較好的諧振變換器LLC 結(jié)構(gòu)。rwmiwrr c v mumustik iCMP JAprpPrwugrQAniRrLLC形式rwmiwrr c v m

4、umustik i 4DAmenv、對J：LLC電路，存在兩個諧振頻率:fr2 2兀&乙+ Q“)G顯然,frlfr2o由直流特性曲線可知: lfsf2時，MOSFET匸作在ZVS區(qū)域，對于MOSFET而 肓，ZVS模式下開關(guān)損耗較ZCS模式要小： 在輕載時，LLC諧振變換器的開關(guān)頻率變化很小，即使在 空載時它也具備零電壓開關(guān)能力。2LLC變換器的工作原理2.1 LLC變換器的模態(tài)分析DC CMractemlK of LLC Reeorurt Conwtet06 08 1通常將LLC諧振變換器設(shè)計工作在區(qū)域1和2,1：:根據(jù)LLC諧振變換器的直流增益特性可以將其分為三個工作區(qū)域。作區(qū)域3是ZC

5、S 1 ：作區(qū)。對 于MOSFET而言，ZVS模式 的開關(guān)損耗比ZCS模式的開 關(guān)損耗要小。Z R% C rArOrQ2 J(Ir從左向右為正)L2.1.1工作區(qū)域2(fr2ffr1)模態(tài)1J Ml:(tOttl)10時刻，Q2恰好關(guān)斷，諧振電流 lr R% C rArOr工作區(qū)域2模態(tài)1 QfV-T A)S|pRkJMl:(tOt hmvik i mDArmtMm、 M2:(tltt2)10t時段，Q1已經(jīng)ON。諧振電 流lr從0幵始以近似1H弦規(guī)律增人 ,副邊DR1依然導通，副邊電壓 即為輸出電壓,那么原邊電壓是 恒疋值(np*Vo/ns),那么電流 Ilm線性上升。 M2:(tlt hm

6、vik i mDArmtMm、工作區(qū)域2模態(tài)3 M3:(t2tCr-Lr- Lm形成回路，電流在減小；(2) 由電磁感應(yīng)定律知，同名端為，副邊DR2導 通，此時副邊電壓為Vo,原邊電壓為-(np*Vo/ns);電感Lm上的電流線性下降到0之前，將Q2開通， 即實現(xiàn)了ZVS開通。而Ir的電流已正弦規(guī)律下降( 這時是Lr與Cr諧振)。(4)然后同樣的，達到，進入Lr+Lm與C諧振階段， 直到Q2關(guān)斷，那么將進入下一個周期。南赤Q施夭大學2.1.2 I作區(qū)域1 (ffr1 ) 模態(tài)1 Ml(tOvtvtl)【0時刻，Q2恰好關(guān)斷，此時Lr的 電流IrvO (從左向右記為正)。Ir 流經(jīng)D1,為Q1Z

7、VS開通創(chuàng)造條件 ,并且斤以正眩規(guī)律減小到0。II南赤Q施夭大學2.1.2 I作區(qū)域1 (ffr1 ) 模態(tài)1n Ml(tOvtvtl)-由電磁感應(yīng)定律知,副邊DR1 I. 導通，副邊電壓即為輸出電斥Vo ,貝lj原邊電壓即為(np*Vb/np), Lni上電壓為定值，Ilm線性上升 到()，此時Lr與Cr諧振。在這段時 間里Q1開通。模態(tài)2S3|fpR-?WWv M2 (tltIlm ,在Q1關(guān)斷時，副邊二極管 依然導通,Ins依然冇電流，同 時斤的存在，為Q2的ZVS開通 創(chuàng)造了條件。南求 M 航夬大眷mmc. rwmnfrr cv MJiMmui工作區(qū)域1模態(tài)3下半個周期與上半個周期類似

8、。(1) 在(2時刻，Q1關(guān)斷，Ir電流流經(jīng)D2,在這個 過程中Q2開通，實現(xiàn)了ZVS開通，并且強制 IrIlm:(2) Ilm電流開始減小，由電磁感應(yīng)定律知，同名 端為，副邊DR2導通，原邊Lm電壓恒定,其電流線性減小，直至Q2關(guān)斷。AenPower ScitediCeniBr工作區(qū)域1總結(jié)rwvWTY cv AiJiMnsnu i mDArmrarn總之，當ftTl時，依然有ZVS開通的特點，但 是整個工作過程中，激磁電感Lm沒有參與過諧振 ,都是L與Cr的串聯(lián)諧振，所以認為這種工作模式 與串聯(lián)諧振類似，具備了串聯(lián)諧振的優(yōu)缺點。MOSFET關(guān)斷電流為I的電流，較大，這樣開 關(guān)損耗也大；并且

9、，副邊整流二極管沒有ZCS關(guān)斷 ,存在反向恢復問題，同時存在損耗。比工作區(qū)域 2的效率要低。rwvWTY cv AiJiMnsnu i2.1.3 工作區(qū)域3 (ffr2)AeroPwer ScMech Center區(qū)域3是MOSFET的ZCS工作區(qū)，因為在 fvfr2時，諧振腔阻抗呈容性，電壓滯后于電流 o在諧振變換器中，一般不設(shè)計在這個區(qū)域， 所以這里將不詳細講解。ActoPombt Scrtedi CenterrwmivTY cv mjimwii i moArmranv2.2 LLC變換器的直流特性分析2.2.1 LLC變換器直流增益特性 LLC的諧振網(wǎng)絡(luò)可以等效 如下圖。中Req為折算到

10、原邊的負載，其值為:該網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)為:rwmivTY cv mamwii i moArmranv首先計算該網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù):C _ （皿,）兀5如_r（丿也）心+ -+問=-心&- co2LrCr coLrCr jQcOyjLtCr - -y-)- jQejLC + -y2-其中。訟且訂土総r南赤航空氛夭犬學* MMNC. rMWMTYCV AfUMIVIK% PwarSd4Bdi Center進行歸一化計算：令k=Lr/Lnhfn=f/fr,帶 入G（jw）化簡得：fn5 心= -ff；(jQfn +kXjQfE- l* + jQS因此LLC諧振變換器的輸入輸出直流特性記為：Ma.：0） 曲

11、（入 =伙=I嚴” 廠“ （1+1 嚴）2（-石）2総fj南赤航空氛夭犬學* MMNC. rMWMTYCV AfUMIVIK% D AO*002$05其增益特像曲線為:OC Charetrttic oWTY(* ai awm i mo rm ram、2.2.2 k=Lr/Lm對直流增益特性的影響不同k值下的立流增益曲線如下圖，圖中，橫坐標為fn,縱W標為增益M。 檔k增大時，在一定的 電壓范|韋|內(nèi)為了達到要 求的輸出電壓,LLC變換 器的工作頻率范圍加寬 ,這對磁性元件的工作 不利：不同k值下的立流增益曲線如下圖，圖中，橫朋標為fn, 縱坐標為增益M。 當k減小，即Lm的值減小 時，由于輸出

12、電壓一定，那 么在電感Lm上的電壓是一 個定值，山Lm(di/dt)=u得， 電流的峰值變?nèi)?。而原邊開 關(guān)管關(guān)斷時的電流即為激磁 電流，那么會使關(guān)斷損耗較 人：但是峰值電流過小，可 能會影響零電爪的開通。I大1此，在選擇k值時丿應(yīng)折中考慮。rwvWTY(* ai awm i mo rm ram、2.1.3 Q對直流增益特性的影響AeroPwBT ScMecii Center圖中，橫坐標為fn,不同Q值下的直流增益曲線如下圖, 縱坐標為增益M。對丁給定的諧振變 換器，在n和k選定肩， 當Q值越人.其工作頻 率的變化范也就越窄( 在fr2ffrl的匸作模式 下)，這樣有助于磁性 元件的工作。* *

13、rwmiWTY(9 MJiMmui mDArmranv3 Saber仿真結(jié)果分析3.1電路參數(shù)根據(jù)LLC諧振變換器的工作原理的分析.我們在實際應(yīng)用中 通常使其工作在區(qū)域2 (frlffr2)。用Saber仿真時電路的參數(shù) 如下：輸入電壓V in=400V：輸出電壓Vo=24V：輸岀功率Po=3(X)W；Lr=68uH：Cr=46nF；Lrn=4O8uH； 匝比n=&3：Cf=600uF：負載電阻R=2Q； 開關(guān)頻率fs=9()KHZo南垃Q氛夭大字rMrmiwTY(9 aiji mvuhScHecii Center3.2仿真波形3.2.1 f=frl的工作波形電壓波形的電壓社壓V。：穴C)伍 9SOOC R g ?aJMA) I*66, 3K?600 fr1的工作波形AeroPcyver Sotech CenterN電壓i.a i m*i*i h* r Poer ScHedi Center4總結(jié)與工作規(guī)劃4.1