LLC 諧振變換器參數(shù)設(shè)計

1、llc 諧振變換器參數(shù)設(shè)計摘要：介紹了一種llc 諧振變換器參數(shù)的設(shè)計方法。基于高效率、高功率密度的要求，通過研究各參數(shù)對電路運行和性能所造成的影響，設(shè)計最優(yōu)化的參數(shù)以滿足變換器的設(shè)計要求，并給出實驗結(jié)果。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：llc 諧振變換器；參數(shù)優(yōu)化；高功率密度 abstract:the design method of parameters in llc resonant converter is introduced. in order to satisfy the demand of high efficiency and high power density, a method of

2、 optimization of parameters in llc resonant converter is elaborated on the base of taking an investigation of the effect in operation or performance caused by variation in parameters. the experimental results have verified the validity of the proposed design and optimization method.0 引言  &

3、#160; 隨著開關(guān)電源的發(fā)展，軟開關(guān)技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。作為諧振型軟開關(guān)拓撲的一個代表llc 諧振變換器，其以功率密度高、開關(guān)損耗小等優(yōu)點，已經(jīng)成為近年來一個研究熱點。如何最優(yōu)設(shè)計llc諧振變換器的參數(shù),使其在軟開關(guān)的條件下滿足輸入輸出變化的要求就顯得尤為重要。本文介紹了一種llc諧振變換器的參數(shù)設(shè)計，并用實驗結(jié)果驗證了其有效性。1 電路概述    圖1 為半橋結(jié)構(gòu)的llc諧振變換器的主電路拓撲，兩個主開關(guān)s1和s2構(gòu)成一個半橋結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動信號均是固定0.5 占空比的互補信號，串聯(lián)諧振電感l(wèi)s、串聯(lián)諧振電容cs和并聯(lián)諧振電感l(wèi)p 構(gòu)成llc諧振網(wǎng)絡(luò)。該諧

4、振網(wǎng)絡(luò)連接在半橋的中點和地之間，因此諧振電容cs也起一個隔直的作用。在變壓器副邊，整流二極管d1和d2 組成中間抽頭的整流電路，整流二極管直接連接到輸出電容co上。當并聯(lián)電感l(wèi)p上的電流ilp大于諧振槽路上的電流ip 時，電流ip1 大于零，原邊向副邊輸送能量，同時并聯(lián)電感兩端電壓被箝位，參與諧振的只有串聯(lián)諧振電感l(wèi)s 和串聯(lián)諧振電容cs，此時的諧振頻率稱為串聯(lián)諧振頻率，記作fs；當并聯(lián)電感上的電流ilp在其上箝位電壓的作用下線性上升到與諧振槽路電流ip 相同時，電流i p1 減小到零，原邊不再對副邊傳輸能量，此時并聯(lián)諧振電感l(wèi)p 與串聯(lián)諧振電感l(wèi)s、串聯(lián)諧振電容cs 一起參與諧振，其諧振頻率

5、稱為串并聯(lián)諧振頻率，記做fm。當開關(guān)管的工作頻率小于fm時，變換器工作在容性狀態(tài)；當開關(guān)頻率處于fm和fs 之間時，變換器工作在感性且副邊整流二極管處于零電流關(guān)斷狀態(tài)；當開關(guān)頻率大于fs時，零電流關(guān)斷條件不再存在，llc等同于一般的串聯(lián)諧振電路。圖1 llc 諧振變換器的主電路2 llc變換器的建模和參數(shù)設(shè)計    開關(guān)管s1 和s2 互補導(dǎo)通，在vab上形成一方波電壓；因為輸出恒定，所以通過全波整流電路和中間抽頭變壓器等效到變壓器原邊同樣形成一個方波電壓，如圖2所示為llc諧振變換器的交流等效電路。    圖2 中rac 為電壓型負

6、載全波整流電路的交流等效負載圖2 llc 諧振變換器交流等效電路    用交流分析法可得到交流基波電壓增益：    式中：k 為系數(shù)，k=lp/ls；    fs為諧振頻率    f為開關(guān)頻率。    而ein 和eo 分別為輸入、輸出電壓基波有效值，其值為        串聯(lián)諧振電路品質(zhì)因數(shù)經(jīng)推導(dǎo)直流增益為        根據(jù)

7、以上推導(dǎo)的直流增益解析式，再采用mathcad 得到直流增益與工作頻率的關(guān)系如圖3所示。橫坐標是開關(guān)頻率與串聯(lián)諧振頻率的比值x越f/fs；縱坐標是直流增益。圖3 k 值不變情況下,同q值時的電壓增益頻率特性    首先設(shè)計匝比n，為使電路工作在串聯(lián)諧振頻率以下和串并聯(lián)諧振頻率以上這個范圍內(nèi)，將最高輸入電壓時的工作頻率固定在串聯(lián)諧振頻率上。從圖3中我們可以看到不同q 值的電壓增益曲線在串聯(lián)諧振頻率點時匯聚在一點上，據(jù)此可以得到式（3），即        通過式（3）可以解出匝比n。然后進行k 值的設(shè)計：由圖

8、4 可以看到k 值越大，最小開關(guān)頻率和諧振頻率之間的比值（即x值）就越小，也就意味著當輸入電壓變化時，開關(guān)頻率變化范圍也就較大，這樣不利于變壓器的工作；而同時如果k值較小，即并聯(lián)電感l(wèi)p相對較小，這樣流過lp的旁路電流也就較大，則并聯(lián)電感上的損耗較大，影響傳輸效率，所以k 值的選取存在著矛盾，不可走極端，要折衷選取。圖4 q 值不變情況下,同k 值時的電壓增益頻率特性    在n 和k 值已確定的情況下，設(shè)計q 值，隨著負載的變輕，q 值越來越小，所以只需計算出一個滿足增益要求的q最大值即可。3 llc變換器的參數(shù)優(yōu)化    由于諧振

9、槽路電流ip 的大小直接決定開關(guān)管的通態(tài)損耗，而且也標志了流過并聯(lián)電感以及變壓器的電流，所以我們將其作為優(yōu)化的對象。由圖5可以寫出式（4）。    圖5 諧振槽路方波電壓基波分量與諧振電流關(guān)系圖式中：漬為電壓和電流之間的相位角；        將代入式（4）后得        先固定q值和串聯(lián)諧振頻率，變化匝比n 和k 值時，利用mathcad 對上述的ip 解析式進行比較，如圖6所示。從圖6中我們可以看出匝比n 越大，在相同的k值下諧振電流峰值

10、ip就越大，也即損耗越大；且匝比n 越大，k 的取值范圍就越小。因為在相同的匝比下k 值越大，其最大增益就越小，所以當n 比較小時，k值一旦取大，最大增益就無法得到滿足。所以在滿足最大增益條件下匝比n應(yīng)取得越小越好。(a)當n=21 時                     (b)當n=31 時        

11、60;           (c)當n=41 時圖6 不同匝比下,k 值變化時與槽路電流ip的比較4 實驗結(jié)果與波形    如圖7所示ch2 是vab上的電壓波形，ch1的是下管s2的驅(qū)動波形。從圖7中可以看出llc 諧振變換器工作在軟開關(guān)條件下。而圖8 是vab 電壓與諧振槽路電流ip的實驗波形圖。vds:50 v/div；vgs:10 v/div；t:500 ns/div圖7 vab電壓和s2的驅(qū)動波形vin:100 v/div；ip:0.1 a/div；t:5

12、00 ns/div圖8 vab電壓波形和槽路電流波形    圖9 是根據(jù)實驗實測數(shù)據(jù)繪制的在相同k值時，輸入電壓變化時不同匝比的效率比較圖。從圖9 相同k 值下袁匝比n 變化時下的實驗效率圖9中我們可以看出匝比n 越大，效率越低；而匝比較小時，并聯(lián)電感上的電壓也較小，導(dǎo)致并聯(lián)電感上的電流較小，引起槽路電流減小，不足以釋放完開關(guān)管寄生電容上的能量，使得開關(guān)管的軟開關(guān)調(diào)節(jié)失去，所以匝比n 為21 時，當輸入電壓大于200v后效率急劇下降。圖9 相同k 值下袁匝比n 變化時下的實驗效率5 結(jié)語    本文介紹了半橋型llc諧振變換器的基本工

13、作特點，敘述了旨在提高效率的參數(shù)優(yōu)化方法，最后介紹了實驗結(jié)果。     參考文獻    1 yang bo, lee fred c, zhang a j, et al. llc resonant converter for frontend dc/dc conversion a. ieee applied power electronics conference and exposition (apec'02)c. 2002.    2 seigerwald robert l. a comparison of half-bridge resonant converter topologiesj. ieee transactions on power electronics, 1988,3(2):174-182.    3