南京航空航天大學(xué)半橋LLC諧振變換器設(shè)計(jì)與仿真ppt課件

1、半橋半橋LLC諧振變換器設(shè)計(jì)與仿真諧振變換器設(shè)計(jì)與仿真石祥花2021-10-261 諧振變換器技術(shù)諧振變換器技術(shù)2 LLC變換器的任務(wù)原理變換器的任務(wù)原理3 Saber仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析1 諧振變換器技術(shù)諧振變換器技術(shù) 諧振變換器之所以得到注重和研討，是由于在諧振時電流或電壓周期性過零，利用這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，可以降低開關(guān)損耗，提高功率變換器的效率。 諧振功率變化器有以下三種：SRCSeries Resonance Circuit、PRCParallel Resonance Circuit、SPRCSeries-Parallel Resonance Circuit，又稱LLC。1.1 SR

2、C串聯(lián)諧振電路 電路中電感與電容串聯(lián)，構(gòu)成一個串聯(lián)諧振腔。這個諧振腔的阻抗與負(fù)載串聯(lián)，那么由于其串聯(lián)分壓作用，增益總是小于1。諧振腔的阻抗與頻率有關(guān)，在其諧振頻率fr下阻抗最小，此時的增益也最大。SRC的直流特性曲線根據(jù)電路的直流特性可知： fsfr時,開關(guān)管 Q-ZVS； 輕載時，fs要變化很大才干保證輸出電壓不變; Vin增大時,fs增大使輸出電壓堅(jiān)持不變。 此時諧振腔的阻抗也增大，那么諧振腔內(nèi)有很高的能量在循環(huán)，而并沒有把這些能量供應(yīng)負(fù)載，并且使半導(dǎo)體器件的應(yīng)力增大。 因此，串聯(lián)諧振變換器存在一些不利要素：輕載調(diào)整率高、高的諧振能量、高輸入電壓時較大的關(guān)斷電流。1.2 PRC并聯(lián)諧振電路

3、PRC的直流特性曲線根據(jù)其直流特性可知： fsfr時，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)； 輕載時，fs并不要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)的能量依然很大，即使是在輕載的條件下，由于負(fù)載與電容并聯(lián)，依然有一個比較小的串聯(lián)阻抗。 與SRC相比，PRC優(yōu)點(diǎn)：在輕載時，頻率變化不大即可保證輸出電壓不變。 PRC的缺陷：高的諧振能量、高輸入電壓時關(guān)斷電流較大會引起較大的關(guān)斷損耗。1.3 SPRC串并聯(lián)諧振電路串并聯(lián)諧振電路有兩種方式。LCC方式對于LCC電路，存在兩個諧振頻率：顯然，fr2fr1。由直流特性曲線可知： 當(dāng)fr2fsfr1，這樣低頻諧振點(diǎn)沒有利用。 從

4、這個方案可以看出，可以利用雙諧振網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)ZVS，假設(shè)將LCC的直流特性左右翻轉(zhuǎn)，那么低頻諧振點(diǎn)就可以利用上。因此，出現(xiàn)了特性較好的諧振變換器LLC構(gòu)造。）prsrrrsrrrCCLfCLf/(212121LLC方式對于LLC電路，存在兩個諧振頻率：顯然，fr1fr2。由直流特性曲線可知： 當(dāng)fsfr2時，MOSFET任務(wù)在ZVS區(qū)域，對于MOSFET而言，ZVS方式下開關(guān)損耗較ZCS方式要??； 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)才干。rmrrrrrCLLfCLf)212121（2 LLC變換器的任務(wù)原理2.1 LLC變換器的模態(tài)分析 根據(jù)LLC諧振變

5、換器的直流增益特性可以將其分為三個任務(wù)區(qū)域。 通常將LLC諧振變換器設(shè)計(jì)任務(wù)在區(qū)域1和2，任務(wù)區(qū)域3 是ZCS任務(wù)區(qū)。對于MOSFET而言，ZVS方式的開關(guān)損耗比ZCS方式的開關(guān)損耗要小。2.1.1 任務(wù)區(qū)域2(fr2ffr1) 模態(tài)1 M1:(t0tt1)t0時辰，Q2恰好關(guān)斷，諧振電流Ir0，IDR1=0。Ir流經(jīng)D1，使VQ1=0,為Q1 ZVS開通發(fā)明條件。 在這個過程中，PWM信號加在Q1上使其ZVS開通。(Ir從左向右為正任務(wù)區(qū)域2模態(tài)1 M1:(t0tt1)這時Vin加在諧振腔上，Ir增大到0，在這個過程中，由電磁感應(yīng)定律知，同名端為“+，副邊DR1導(dǎo)通，此時副邊電壓即為輸出電壓

6、。反推過去，原邊電壓即為恒定值np*Vo/ns，那么Lm處于恒壓儲能形狀，其電流線性上升。任務(wù)區(qū)域2模態(tài)2 M2:(t1tt2)t0t1時段，Q1曾經(jīng)ON。諧振電流Ir從0開場以近似正弦規(guī)律增大，副邊DR1依然導(dǎo)通，副邊電壓即為輸出電壓，那么原邊電壓是恒定值np*Vo/ns，那么電流Ilm線性上升。任務(wù)區(qū)域2模態(tài)2 M2:(t1tt2) 此時任務(wù)在串聯(lián)諧振形狀，即Lr與Cr串聯(lián)諧振，Lm上電壓由于被箝位而只作為負(fù)載不參與諧振。 在這個時段里,有Ir=Ilm+Inp。在t2時辰，Ir=Ilm。任務(wù)區(qū)域2模態(tài)3 M3:(t2tCr-Lr-Lm構(gòu)成回路，電流在減小; (2)由電磁感應(yīng)定律知，同名端為

7、“-，副邊DR2導(dǎo)通，此時副邊電壓為-Vo，原邊電壓為-(np*Vo/ns; (3)電感Lm上的電流線性下降到0之前，將Q2開通，即實(shí)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，到達(dá)，進(jìn)入Lr+Lm與Cr諧振階段，直到Q2關(guān)斷，那么將進(jìn)入下一個周期。2.1.2 任務(wù)區(qū)域1ffr1 模態(tài)12.1.2 2.1.2 任務(wù)區(qū)域任務(wù)區(qū)域1 1ffr1ffr1 M1(t0tt1) t0時辰，Q2恰好關(guān)斷，此時Lr的電流Irfr1 模態(tài)12.1.2 2.1.2 任務(wù)區(qū)域任務(wù)區(qū)域1 1ffr1ffr1 M1(t0tt1) 由電磁感應(yīng)定律知，副邊DR1導(dǎo)通，副邊電壓即為輸

8、出電壓Vo，那么原邊電壓即為np*Vo/np)，Lm上電壓為定值，Ilm線性上升到0，此時Lr與Cr諧振。在這段時間里Q1開通。任務(wù)區(qū)域1模態(tài)2 M2t1tIlm，在Q1關(guān)斷時，副邊二極管依然導(dǎo)通,Ins依然有電流，同時Ir的存在，為Q2的ZVS開通發(fā)明了條件。任務(wù)區(qū)域1模態(tài)3 下半個周期與上半個周期類似。 (1)在t2時辰，Q1關(guān)斷，Ir電流流經(jīng)D2，在這個過程中Q2開通，實(shí)現(xiàn)了ZVS開通，并且強(qiáng)迫IrIlm; (2)Ilm電流開場減小，由電磁感應(yīng)定律知，同名端為“-，副邊DR2導(dǎo)通，原邊Lm電壓恒定，其電流線性減小，直至Q2關(guān)斷。任務(wù)區(qū)域1總結(jié) 總之，當(dāng)ffr1時，依然有ZVS開通的特點(diǎn)，

9、但是整個任務(wù)過程中，激磁電感Lm沒有參與過諧振，都是Lr與Cr的串聯(lián)諧振，所以以為這種任務(wù)方式與串聯(lián)諧振類似，具備了串聯(lián)諧振的優(yōu)缺陷。 MOSFET關(guān)斷電流為Ir的電流，較大，這樣開關(guān)損耗也大；并且，副邊整流二極管沒有ZCS關(guān)斷，存在反向恢復(fù)問題，同時存在損耗。比任務(wù)區(qū)域2的效率要低。2.1.3 任務(wù)區(qū)域3ffr2) 區(qū)域3是MOSFET的ZCS任務(wù)區(qū)，由于在ffr2時，諧振腔阻抗呈容性，電壓滯后于電流。在諧振變換器中，普通不設(shè)計(jì)在這個區(qū)域，所以這里將不詳細(xì)講解。2.2 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)可以等效如以下圖。 圖中Req為折算到原邊的

10、負(fù)載，其值為：oeqRnR228該網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量因數(shù)為：rreqCLRQ1首先計(jì)算該網(wǎng)絡(luò)的傳送函數(shù)：rreqmeqmjLjCjRLjRLjG1/)(/)(）mrrrmrrrrrrrrrLLCLjQLLCLjQCLCLCL)(222rrCL1rrrff其中，且 進(jìn)展歸一化計(jì)算：令 k=Lr/Lm,fn=f/fr，帶入G(jw)化簡得：kjQfkjQffffjGnnnnn)()(222)/1(/112nnnffjQfkk因此LLC諧振變換器的輸入輸出直流特性記為:),(QfMn2222)1()1 ()2/(1),(nnninonffQfkknVVQfM其增益特像曲線為： 從增益特性曲線上可以看出：當(dāng)開

11、關(guān)頻率f在fr右邊時，任務(wù)在ZVS形狀；當(dāng)輸入電壓降低，可以降低開關(guān)頻率使其增益增大；當(dāng)負(fù)載加重時，諧振頻率會升高。2.2.2 k=Lr/Lm對直流增益特性的影響 不同k值下的直流增益曲線如以下圖，圖中，橫坐標(biāo)為fn ， 縱坐標(biāo)為增益M。 在輸入輸出功率一定的變換器下，匝比n固定，在某一個Q下，直流增益曲線隨k的變化情況： 當(dāng)k增大時，其最大增益值在減小，那么在低輸入電壓下能夠達(dá)不到要求的輸出電壓；2.2.2 k=Lr/Lm對直流增益特性的影響 不同k值下的直流增益曲線如以下圖，圖中，橫坐標(biāo)為fn ， 縱坐標(biāo)為增益M。 檔k增大時，在一定的電壓范圍內(nèi)為了到達(dá)要求的輸出電壓，LLC變換器的任務(wù)頻

12、率范圍加寬，這對磁性元件的任務(wù)不利；k=1k=22.2.2 k=Lr/Lm對直流增益特性的影響 不同k值下的直流增益曲線如以下圖，圖中，橫坐標(biāo)為 fn， 縱坐標(biāo)為增益M。 當(dāng)k減小，即Lm的值減小時，由于輸出電壓一定，那么在電感Lm上的電壓是一個定值，由 Lm(di/dt)=u得，電流的峰值變大。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)斷損耗較大；但是峰值電流過小，能夠會影響零電壓的開通。因此，在選擇k值時應(yīng)折中思索。2.1.3 Q對直流增益特性的影響 不同Q值下的直流增益曲線如以下圖，圖中，橫坐標(biāo)為 fn， 縱坐標(biāo)為增益M。 對于給定的諧振變換器，在n和k選定后，當(dāng)Q值越大，其任務(wù)頻

13、率的變化范圍就越窄在fr2ffr1的任務(wù)方式下，這樣有助于磁性元件的任務(wù)。Q=10Q=23 Saber仿真結(jié)果分析3.1 電路參數(shù) 根據(jù)LLC諧振變換器的任務(wù)原理的分析，我們在實(shí)踐運(yùn)用中通常使其任務(wù)在區(qū)域2fr1ffr1的任務(wù)波形 從圖上可以看出，從圖上可以看出，Q1此時沒有實(shí)現(xiàn)此時沒有實(shí)現(xiàn)ZVS 的開通，在開通的開通，在開通時，有時，有200多伏的電壓，副邊整流二極管也不在是多伏的電壓，副邊整流二極管也不在是ZCS 關(guān)斷。關(guān)斷。這樣損耗比較大。這樣損耗比較大。Q1驅(qū)動電壓驅(qū)動電壓Q1電壓電壓A點(diǎn)電壓波形點(diǎn)電壓波形Vcr的電壓的電壓輸出電壓輸出電壓Vo副邊二極管副邊二極管IDR1IrIlm3.2.3 fr2ffr1的任務(wù)波形 從圖上可以看出，從圖上可以看出，Q1此時實(shí)現(xiàn)此時實(shí)現(xiàn)ZVS 的開通，副邊整的開通，副邊整流二極管是流二極管是ZCS 關(guān)斷，而且此時的關(guān)斷，而且此時的MOSFET的的ZVS開通開通及整流二極管及整流二極管ZCS的關(guān)斷較為容易實(shí)現(xiàn)。的關(guān)斷較為容易實(shí)現(xiàn)。Q1驅(qū)動電壓驅(qū)動電壓Q1電壓電壓A點(diǎn)電壓波形點(diǎn)電壓波形Vcr的電壓的電壓輸出電壓輸出電壓Vo副邊二極管副邊二極管IDR1IrIlm4 總結(jié)與任務(wù)規(guī)劃4.1 LLC諧振變化器總結(jié) 本次主要針對諧振變換器的技術(shù)開展，從