LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與運用

1、llc型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與運用隨著現(xiàn)代技術(shù)的進展，向著高頻化、集成化、模塊化方向進展。提高開關(guān)頻率能減小體積，提高功率密度及牢靠性，平滑變幻的波形和較小的變幻率也有利于充實系統(tǒng)的電磁兼容性，降低開關(guān)噪聲。功率諧振變換器以諧振為基本的變換單元，利用諧振時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，以實現(xiàn)軟開關(guān)，達到降低開關(guān)損耗的目的，進一步提高頻率，因此得到了重視和討論。1 諧振電路諧振網(wǎng)絡(luò)通常由多個無源或組成，因為元件個數(shù)和銜接方式上的差異，常見有用的諧振變換器拓撲結(jié)構(gòu)大致分為兩類：一類是負載諧振型，另一類是開關(guān)諧振型。負載諧振型變換器是一種較早提出的結(jié)構(gòu)，

2、注意電源電壓轉(zhuǎn)換比特性的充實，根據(jù)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)諧振因為是串聯(lián)分壓方式，其直流增益總是小于1，類似buck變換器；輕載時為穩(wěn)住輸出電壓，必需提高開關(guān)頻率，在輕載或空載的狀況下，輸出電壓不行調(diào)，輸入電壓上升使系統(tǒng)的工作頻率將越來越高于諧振頻率，而諧振頻率增強，諧振腔的阻抗也隨之增強，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；但在負載串聯(lián)諧振中，流過功率器件的電流隨著負載變輕而減小，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

3、沖擊；輕載時，不需通過大幅轉(zhuǎn)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；當輕載時輸入電流變幻不大，開關(guān)管的通態(tài)損耗相對固定，在輕載時的效率比較低，較為適合工作于額定功率處負載相對恒定的場合。13 串并聯(lián)諧振輸出電壓可高于或低于電源電壓，且負載變幻范圍寬，是目前討論領(lǐng)域中較主流的結(jié)構(gòu)。2 諧振參數(shù)分析21 電路拓撲圖1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占空比互補導(dǎo)通，lr、cr與的并聯(lián)電感l(wèi)m構(gòu)成llc諧振網(wǎng)絡(luò)，整流挺直銜接到輸出電容上。llc有兩個諧振諧振頻率，分離為lm與lr、cr產(chǎn)生的串并聯(lián)諧振頻率以及l(fā)r和cr產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率。2

4、2 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)上改進而來，因為較前兩者多了一個諧振元件其設(shè)計運用也變得復(fù)雜。按照溝通分析法得到llc諧振變換器的輸入輸出特性為221 k的影響對于一個輸入輸出和功率一定的變換器而言，匝比n固定，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，在輸入電壓較低時大概達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，因為感值的減小其電流峰值增大，而原邊開關(guān)管關(guān)斷時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

5、關(guān)斷電流過小則會影響到零電壓開通，故k值的挑選應(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值的狀況下，q值的大小挺直關(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 f0ffr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，在負載較重的時候盡量挑選較小的cr以達到要求的輸出電壓。3 電路分析當開關(guān)頻率ff0時可知諧振網(wǎng)絡(luò)呈容性狀態(tài)，不利于開關(guān)管的zvs開關(guān)，就不綻開研究了，下面先以開關(guān)頻率范圍f0ffr來分析llc諧振電路的工作過程

6、。在f0ffr頻率范圍內(nèi)變換器會因負載不同，其工作過程也有所不同，當電路工作在f0ffr范圍內(nèi)時lr與cr等效成一容ceq，囫圇諧振腔等效為lm和負載并聯(lián)再與ceq，諧振腔阻抗到底呈感性還是容性就要按照頻率和負載的輕重(q值大小)而定。運用saber軟件對 llc半橋諧振變換器在舉行，并舉行模態(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 不同負載下的仿真與分析311 滿載滿載狀況下的模態(tài)分析及仿真波形分離3及圖4所示。model(t0t1)：t0時刻s2關(guān)斷，諧振電流對c2、c1(分離為s2、s1的寄生

7、電容)充放電，s1端電壓開頭下降，當降為零時s1的體二極管導(dǎo)通，為s1的zvs制造條件。變壓器原邊電壓為上正下負，d1和d4導(dǎo)通，lm兩端電壓被箝位為nvo，ilm線性升高，諧振只發(fā)生在lr和cr之間，lm未參加諧振。mode2(t1t2)：t1時刻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，因為ttr,ir經(jīng)過半個周期諧振之后s1仍開通，當ir下降到ilm時流過d1和d4電流為零，實現(xiàn)了整流二極管的zcs關(guān)斷。mode3(t2一t3)：d1和d4 zcs關(guān)斷后變壓器原副邊徹低脫開，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、c

8、r一起諧振，因為lm較lr大得多，此時的諧振周期顯然變長，近似認為ir保持不變。t3時刻s1關(guān)斷。下半個周期的分析與上述過程對稱，這里就不再詳述了。從模態(tài)分析可見囫圇工作過程中包括了兩個諧振過程，一個是lr和cr的諧振，另一個則是lm與lr、cr一起諧振。312 輕載當負載變輕時，諧振電容上的電壓變低，假如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，這使得變換器在輕載時損耗較大，然而也正由于較大的環(huán)流保證了開關(guān)管在較輕載時也能實現(xiàn)零電壓開關(guān)，5所示。313 過載負載過重時諧振電容兩端電壓紋波較大，當滿足條件時，其工

9、作過程較滿載狀況下有所不同，在諧振電流ir下降到等于ilm后因為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，進入另一個諧振過程。從圖6(a)的ir和ilm波形可見這個諧振過程開關(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，6(b)所示，諧振回路呈容性。從上面的仿真分析可知，當頻率一定時負載越重橋臂中點間阻抗越易呈容性，負載越輕則易呈感性，更有利于開關(guān)管的零電壓開關(guān)。32 與ffr時的比較在開關(guān)頻率f0ffr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)，從而實現(xiàn)了整流二極管的零電流關(guān)

10、斷，消退了反向復(fù)原產(chǎn)生的損耗。而ffr時的不同就在于因為ffr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s2zvs開通后ir快速下降，下降到ir=ilm沒有能量傳送到副邊，此時副邊整流二極管完成換流，開頭了另半個周期對稱的工作過程，可見 lm向來未參加諧振，更像是一般諧振，同時整流二極管上電流延續(xù)，換流時會因為反向復(fù)原帶來損耗。4 試驗結(jié)果與波形在上述理論分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個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。7所示，vab為橋臂中點電壓，ir為諧振回路電流的試驗波形圖。圖8和圖9分離是滿載與輕載時上、下兩個mos管的vgs和vds波形，從試驗中也可以看出即使在較輕負載的狀況下仍然能滿足開關(guān)管零電