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

1、1諧振變換器技術(shù)半橋LLC諧振變換器設(shè)計(jì)與仿真石祥花2010-10-26南該航空航夭大學(xué)minc. r>«viMTY(9 A>>iMMni< i mDArmrarn#x 粧 c aAArOU1諧振變換器技術(shù)2 LLC變換器的工作原理 3 Saber仿真結(jié)果分析諧振變換器之所以得到重視和研究，是因 為在諧振時(shí)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：SRC (Series Resonance Circuit)、PRC (Parallel Resonance Circuit)、SPRC (Se

2、ries-Parallel Resonance Circuit,又稱LLC)。Carter1.1 SRC南赤 Q 航夭大學(xué)rMWWfTY (91(串聯(lián)諧振電路)電路中電感與電容那聯(lián)，形成一個(gè)吊聯(lián)諧振腔。 這個(gè)諧振腔的阻抗與負(fù)載串聯(lián)，則由丁其串聯(lián)分壓作 川，增益總是小丁1。諧振腔的阻抗與頻率有關(guān)，在 其諧振頻率fl下阻抗最小，此時(shí)的增益也瑕大。南赤 Q 航夭大學(xué)rMWWfTY (91SRC的直流特性曲線根據(jù)電路的直流特性可知: fs>fr時(shí)，開關(guān)管Q->ZVS：，輕載時(shí)，fs耍變化彳從大才能保 證輸出電壓不變；Vin增人時(shí),fs增人便輸出電壓 保持不變。此時(shí)諧振腔的阻抗也堆人，則 諧

3、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(fù)載， 并H.使半導(dǎo)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(shí)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 AMDHMmi 1DC Characteristic of PRC10860.50 70.9 hl 113f$/fr 1在輕載時(shí)，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：® fs>fr時(shí)，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)； 輕載時(shí)，fs并不雯變化很 大來維持輸出電壓不變：'

4、; Vin增大時(shí)，fs增大來維持輸出電壓不變。；£此時(shí)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(fù)載與電容并 聯(lián)，仍然有一個(gè)比較小的串 聯(lián)阻抗。與SRC相比，PRC優(yōu)點(diǎn)： 保證輸山電壓不變。PRC的缺點(diǎn)：高的諧振能量、高輸入也世叮公凱也頂鉉艇 人會(huì)引起較人的關(guān)斷損耗。八仏航空機(jī)入大與、7 1J 1 JMMNGfBMMYY(VAfJOHWlICIMl)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(duì)于LCC電路，存在兩個(gè)諧振頻率:H 2兀應(yīng)7f1r2 2 也 d顯

5、然，fr2<frl o由直流特性曲線可知： 當(dāng)fr2<fs<frl時(shí)，MOSFET工作在ZCS區(qū)域，對(duì)于MOSFET °而言，ZVS模式下開關(guān)損耗較ZCS模式要?。?為了滿足ZVS, fs>frl,這樣低頻諧振點(diǎn)沒有利用。從這個(gè)方案可以看出，可以利用雙諧振網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn) ZVS,如果將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，岀現(xiàn)了特性較好的諧振變換器LLC 結(jié)構(gòu)。rwmiwrr c v mumustik iCMP JAprp>PrwugrQAniRrLLC形式rwmiwrr c v mumustik i «4DAme«

6、;nv、對(duì)J：LLC電路，存在兩個(gè)諧振頻率:fr2 2兀&乙+ Q“)G顯然,frl>fr2o由直流特性曲線可知: '"lfs>f2時(shí)，MOSFET匸作在ZVS區(qū)域，對(duì)于MOSFET而 肓，ZVS模式下開關(guān)損耗較ZCS模式要?。?在輕載時(shí)，LLC諧振變換器的開關(guān)頻率變化很小，即使在 空載時(shí)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(jì)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(gè)工作區(qū)

7、域。作區(qū)域3是ZCS 1 ：作區(qū)。對(duì) 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(fr2<f<fr1)模態(tài)1J® Ml:(tO<t<tl)10時(shí)刻，Q2恰好關(guān)斷，諧振電流 lr<0, 1DR1=0o Ii流經(jīng)D1,使 VQ1=O,為QI ZVS開通創(chuàng)造條件。在這個(gè)過程中，PWM信號(hào)加 在Q1上使其ZVS開通。oil :I:to tl'、(BMMIYCV MMWIWK1MAH*：!Z> R% C rArOr工作區(qū)域2模態(tài)1 QfV-

8、T A)S|pRkJ®Ml:(tO<t<tl)這時(shí)Vin加在諧振腔上，Ii增人到0,在這個(gè)過用中，山電磁感應(yīng)定律 知，同名端為“ + ” ,副邊DR1導(dǎo) 通,此時(shí)副邊電壓即為輸出電壓O 反推過去,原邊電壓即為恒定值( np*Vo/ns),貝ijLm處丁計(jì)口壓儲(chǔ)能狀 態(tài)，其電流線性上升。oil :'Ji J：to tl'、 MMNC. (BMMIYCV MMWIWK1MAH*：!工作區(qū)域2模態(tài)2工作區(qū)域2模態(tài)#AgoPower Sotecti Center工作區(qū)域2模態(tài)2MieNC. rwmMfrr c v a> hmvik i mDArmtMm、 M

9、2:(tl<t<t2)10t時(shí)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(dǎo)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。工作區(qū)域2模態(tài)#工作區(qū)域2模態(tài)#MieNC. rwmMfrr c v a> hmvik i mDArmtMm、 M2:(tl<t<t2)此時(shí)匚作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，即 L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(gè)時(shí)段里，有Ir=Ilm+I叩。 在t2時(shí)刻,IiIlm.工作區(qū)域2模態(tài)3 M3:(t2<t<t3)t2時(shí)刻，Inp=

10、O,則副邊電流也為 0, HIJDR1ZCS關(guān)斷，不存在反向 恢復(fù)的問題。在這個(gè)時(shí)段，Q1依 然導(dǎo)通。這時(shí)(Lr+Lm)與Cr形成 串聯(lián)諧振，山J：時(shí)間較短，ifu H.( Lm+Lr)也很人，認(rèn)為電流保持不 變，Ir=Ilm。在t3時(shí)刻，Q1關(guān)斷，電流lr (人 于0)為ZVS開通Q2創(chuàng)造條件。工作區(qū)域2模態(tài)3從這個(gè)模態(tài)可知，MOSFET 的關(guān)斷電流即為激磁電流，通過 變丿k器的合理設(shè)計(jì)，使激磁電流 比負(fù)載電流小的多，那么可以降 低開關(guān)損耗。同時(shí)可知,ZVS開通是由于 激磁電流所得，此時(shí)原副邊斷開 ,與負(fù)載電流無關(guān)，那么即使在 零電流負(fù)戟的條件卜也能實(shí)現(xiàn) ZVS開通。工作區(qū)域2模態(tài)4在下半個(gè)

11、周期，其模態(tài)與上半個(gè)周期一樣。(1) 在t3時(shí)，Q1關(guān)斷了，激磁電流流經(jīng)D2->Cr->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(dǎo) 通，此時(shí)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(shí)現(xiàn)了ZVS開通。而Ir的電流已正弦規(guī)律下降( 這時(shí)是Lr與Cr諧振)。(4)然后同樣的，達(dá)到，進(jìn)入Lr+Lm與C諧振階段， 直到Q2關(guān)斷，那么將進(jìn)入下一個(gè)周期。南赤Q施夭大學(xué)工作區(qū)域2模態(tài)#工作區(qū)域2模態(tài)#I作區(qū)域1 (f>fr1 ) 模態(tài)1工作區(qū)域2模態(tài)#工作區(qū)域2模態(tài)5 Ml(tOvtv

12、tl)【0時(shí)刻，Q2恰好關(guān)斷，此時(shí)Lr的 電流IrvO (從左向右記為正)。Ir 流經(jīng)D1,為Q1ZVS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(xué)2.1.2 I作區(qū)域1 (f>fr1 ) 模態(tài)1n4。訃羽.v4 A _ Ml(tOvtvtl)-由電磁感應(yīng)定律知,副邊DR1 I. 導(dǎo)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(shí)Lr與Cr諧振。在這段時(shí) 間里Q1開通。模態(tài)2S3|fpR-?WWv M2 (tl<t<t2)QI已經(jīng)ON, Ir依然以匸弦 規(guī)律增人，Ilm依然線性上升, 在

13、t2時(shí)刻,QI關(guān)斷，但I(xiàn)r>Ilm ,在Q1關(guān)斷時(shí)，副邊二極管 依然導(dǎo)通,Ins依然冇電流，同 時(shí)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(gè)周期與上半個(gè)周期類似。(1) 在(2時(shí)刻，Q1關(guān)斷，Ir電流流經(jīng)D2,在這個(gè) 過程中Q2開通，實(shí)現(xiàn)了ZVS開通，并且強(qiáng)制 Ir>Ilm:(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(dǎo)通，原邊Lm電壓恒定,其電流線性減小，直至Q2關(guān)斷。Aen>Power ScitediCeniBr工作區(qū)域1總結(jié)rw«v>WTY cv

14、 AiJiMnsnu i mDArmrarn工作區(qū)域1模態(tài)#工作區(qū)域1模態(tài)#總之，當(dāng)f>tTl時(shí)，依然有ZVS開通的特點(diǎn)，但 是整個(gè)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(rèn)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(diǎn)。MOSFET關(guān)斷電流為I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(shí)存在損耗。比工作區(qū)域 2的效率要低。rw«v>WTY cv AiJiMnsnu i2.1.3 工作區(qū)域3 (f<fr2)AeroPwer ScMech Center區(qū)域3是MOSFET的ZCS工

15、作區(qū)，因?yàn)樵?fvfr2時(shí)，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(jì)在這個(gè)區(qū)域， 所以這里將不詳細(xì)講解。2.1.3 工作區(qū)域3 (f<fr2)AeroPwer ScMech Center2.1.3 工作區(qū)域3 (f<fr2)AeroPwer ScMech CenterActoPombt 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為折算到原邊的負(fù)載，其值為:該網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)為:rwmivTY cv mam

16、wii i moArmranv首先計(jì)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(xué)* MMNC. rMWMTYCV AfUMIVIK% «<D AO*fiK>PwarSd4Bdi Center進(jìn)行歸一化計(jì)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（入

17、£ =伙=I嚴(yán)” 廠“ （1+1 嚴(yán)）2（£-石）2総fj南赤航空氛夭犬學(xué)* MMNC. rMWMTYCV AfUMIVIK% «<D AO*°°002$05其增益特像曲線為:OC Char»et<rt«tic o< LLC1. fs4r從增益特性曲線上可以看出: 為開關(guān)頻率F住fr右邊時(shí)，工作 在ZVS狀態(tài)； 當(dāng)輸入電壓降低，町以降低開 關(guān)頻率使其增益增大：、作負(fù)載加匝時(shí)，諧振頻率會(huì)升MieNC. rwmiwrr(91 mDArmramMieNC. rwmiwrr(91 mDArmram2.2.2 k=L

18、r/Lm對(duì)直流增益特性的影響不同k值下的直流增益曲線如下圖，圖中，橫*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 ,住某一個(gè)Q卜，直流增 益曲線隨k的變化情況:為k增人時(shí)，其最大増 益值在減小，那么在低 輸入電壓下可能達(dá)不到 耍求的輸出電壓：AerzPwer Sotedi Center2.2.2 k=Lr/Lm對(duì)直流增益特性的影響K=l|Ik=2 -AerzPwer Sotedi Centerrw«v>WTY(* ai awm i mo «rm ram、2.2.2 k=Lr/Lm對(duì)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

19、標(biāo)為fn,縱W標(biāo)為增益M。檔k增大時(shí)，在一定的 電壓范|韋|內(nèi)為了達(dá)到要 求的輸出電壓,LLC變換 器的工作頻率范圍加寬 ,這對(duì)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(biāo)為fn, 縱坐標(biāo)為增益M。當(dāng)k減小，即Lm的值減小 時(shí)，由于輸出電壓一定，那 么在電感Lm上的電壓是一 個(gè)定值，山Lm(di/dt)=u得， 電流的峰值變?nèi)恕６呴_ 關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電流即為激磁 電流，那么會(huì)使關(guān)斷損耗較 人：但是峰值電流過小，可 能會(huì)影響零電爪的開通。I大1此，在選擇k值時(shí)丿應(yīng)折中考慮。rw«v>WTY(* ai awm i mo «rm ram、2.1.3 Q

20、對(duì)直流增益特性的影響AeroPwBT ScMecii Center圖中，橫坐標(biāo)為fn,不同Q值下的直流增益曲線如下圖, 縱坐標(biāo)為增益M。2.1.3 Q對(duì)直流增益特性的影響AeroPwBT ScMecii Center2.1.3 Q對(duì)直流增益特性的影響AeroPwBT ScMecii Center對(duì)丁給定的諧振變 換器，在n和k選定肩， 當(dāng)Q值越人.其工作頻 率的變化范也就越窄( 在fr2<f<frl的匸作模式 下)，這樣有助于磁性 元件的工作。* *rwmiWTY(9 MJiMmui mDArmranv2.1.3 Q對(duì)直流增益特性的影響AeroPwBT ScMecii Center

21、2.1.3 Q對(duì)直流增益特性的影響AeroPwBT ScMecii Center3 Saber仿真結(jié)果分析2.1.3 Q對(duì)直流增益特性的影響AeroPwBT ScMecii Center2.1.3 Q對(duì)直流增益特性的影響AeroPwBT ScMecii Center3.1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(shí)際應(yīng)用中 通常使其工作在區(qū)域2 (frl<f<fr2)。用Saber仿真時(shí)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：

22、負(fù)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 <yQI郭動(dòng)電壓tawiDRir 1£嗝_上toftal1?3；4A從圖上可以看出.Q1實(shí)現(xiàn)了臨界ZVS的開通 管臨界ZCS關(guān)斷。AeroPwer Sdtedi Center3.2.2 f>fr1的工作波形AeroPcyver Sotech CenterAeroPcyver Sotech CenterN電壓i.a «i m«>*i*i «h*> r <