低壓大電流LCC諧振變換器研究

1、定稿日期 :2009-08-11作者簡介 :張祖勛 (1984-, 男 , 湖 南 寧 鄉(xiāng) 人 , 碩 士 研 究 生 , 研究方向為數(shù)字化高頻開關電源和變頻技術 。1引 言諧振變換器是軟開關技術中重要的分支 , 一般 分為串聯(lián)諧振 、 并聯(lián)諧振及串 -并聯(lián)諧振即 LCC 諧 振三大類 1。 諧振變換器的主要優(yōu)點是 :在寬負載范 圍內(nèi)均能實現(xiàn)軟開關 , 易實現(xiàn)高效率 ; 諧振電流波形 呈正弦波 , 較容易解決電磁干擾問題 。 過去 , 由于諧 振變換器對負載很敏感 , 需要采用調(diào)頻控制 , 不利于 磁性元器件和穩(wěn)定性設計而發(fā)展緩慢 。 近年來 , 隨著 諧振變換器專用控制芯片的相繼推出 , 業(yè)

2、界掀起了 研究諧振變換器的熱潮 , 特別在通信電源 、 液晶電視 背光電源 、 筆記本電腦適配器等應用場合備受關注 。LCC 諧振變換器常用于高壓小電流場合 2-4, 但其在低壓大電流場合的應用卻鮮有報道 。 在此嘗試 將 LCC 諧振電路應用到低壓大電流場合 , 為了滿足 輸出大電流 , 并降低輸出整流管的電流應力 , 采用了 倍流整流方式 。 該方式下整流二極管與次級諧振電 容并聯(lián) , 使得二極管能夠自然換流 , 以避免反向恢復 引起的電壓振蕩和電壓尖峰 5。2LCC 諧振變換器工作模態(tài)分析倍流整流不對稱半橋 LCC 諧振變換器拓撲結(jié) 構(gòu)及其工作波形如圖 1所示 。 諧振電感 L r 、

3、初級諧振電容 C r 、 次級諧振電容 C s1, C s2與變壓器一起組成 LCC 諧振回路 。在分析倍流整流不對稱半橋 LCC 諧振變換器 工作原理之前假設 : 所有開關管和二極管均為理 想器件 ; 所有電感 、 電容 、 變壓器均為理想器件 ; 輸出濾波電容 C f 足夠大 , 可視為恒壓源 。(1 模態(tài) 1t 0, t 1t 0時刻 , VQ 2關斷 , 初級諧振 電流 i r 流經(jīng) VQ 1的體二極管 VD 1, 為 VQ 1實現(xiàn)零電 壓開通創(chuàng)造條件 , 所以應在 VD 1導通期間向 VQ 1施低壓大電流 LCC 諧振變換器研究張祖勛 , 謝興菊 , 王志強(華南理工大學 , 廣東

4、廣州510640摘要 :研究了倍流整流不對稱半橋串并聯(lián)諧振變換器 , 即 LCC 諧振變換器在低壓大電流場合應用的可行性 。 在分析 變換器工作模態(tài)的基礎上 , 利用基波近似法 (Fundamental Harmonic Approximation , 簡稱 FHA 建立了變換器的穩(wěn)態(tài) 模型 , 推導出直流增益表達式 , 依此表達式在 MathCAD 軟件中繪制了不同負載下的輸出電壓 -頻率曲線 , 并根據(jù)曲線 設計了實驗參數(shù) 。 制作了一臺輸出為 12V/1kW 的樣機 , 并給出了實驗波形 。 實驗結(jié)果表明 , 變換器在不同負載下均 能實現(xiàn)軟開關 , 證明 LCC 諧振變換器可以應用于低壓

5、大電流場合 。 關鍵詞 :諧振變換器 ; 低壓大電流 ; 軟開關 ; 倍流整流 中圖分類號 :TM46文獻標識碼 :A文章編號 :1000-100X (2010 03-0065-03Research on Low -voltage High -current LCC Resonant ConverterZHANG Zu -xun , XIE Xing -ju , WANG Zhi -qiang(South China University of Technology , Guangzhou 510640, China Keywords :resonant converter ; low -vo

6、ltage high -current ; soft -switching ; current -double rectification圖 1LCC 諧振變換器主電路拓撲及主要工作波形加驅(qū)動信號 。 次級諧振電容 C s2電壓 u C s2在 t 0時刻達 到峰值 , 在 t 0, t 1間隔內(nèi)向濾波電感 L f2放電 , 以維持 L f2電流基本不變 。 當 i r 過零時 , 該模態(tài)結(jié)束 。 (2 模態(tài) 2t 1, t 2t 1時刻 , i r 過零 , VQ 1開通 , 輸 入電壓源 U in 開始向變換器次級傳遞能量 。 次級諧 振電流 i s 在 t 1時刻過零 , C s2分別向

7、 L f1, L f2放電 。 當 u C s2下降為零時 , 該模態(tài)結(jié)束 。(3 模態(tài) 3t 2, t 3t 2時刻 , C s2放電完畢 , u C s2下 降為零 , 使得整流管 VD r2自然導通 , 此時 i s 剛好與 I o1相等 。 t 2, t 3間隔內(nèi) , VQ 1始終導通 , U in 不斷向次 級傳遞能量 , i s 除了維持 I o1外 , 還向 C s1充電 。 在 VQ 1關斷時刻 , 該模態(tài)結(jié)束 。模 態(tài) 4、 模 態(tài) 5、 模 態(tài) 6由 對 稱 性 可 得 到 與 模 態(tài) 1、 模態(tài) 2、 模態(tài) 3類似的結(jié)果 , 不再贅述 。3LCC 諧振變換器穩(wěn)態(tài)建模諧振變

8、換器穩(wěn)態(tài)建模的目的是得到不同開關頻 率下變換器的輸出增益表達式及增益曲線 , 指導變 換器參數(shù)設計 。 迄今 , 已有多種建模方法 。 應用基波 近似法可將諧振變換器簡化為一個線性電路 , 從而 可采用傳統(tǒng)的交流分析法得到增益表達式 。 為了簡 化分析過程 , 將變 換 器 分 為 如 圖 2所示的開關網(wǎng) 絡 、 諧振網(wǎng)絡和輸出網(wǎng)絡 3個環(huán)節(jié) 。3.1開關網(wǎng)絡建模設 f s 為初級開關管開關頻率 , s 為角頻 率 , U in 為變換器輸入直流電壓 , U r (t 為開關網(wǎng)絡輸出電壓 。 實際工作中 , U r (t 是幅值為 U in 、 頻率為 f s 、 占空比為 50%的方波 ,

9、由傅里葉變換可得其基波分量 U rFH (t = (2/ U in sin s t , 開關網(wǎng)絡輸出電流即諧振電流 I r (t 的波形已在圖 1中給出 , 此處設 I r (t =I p sin (s t -, 為諧振網(wǎng)絡的阻抗角 , I p 為諧振電流峰值 。開關網(wǎng)絡的輸入電流 I in 是直流電壓源的輸出 電流 。 在一個開關周期內(nèi) , 只有當 VQ 1導通時 , U in 才 向開關網(wǎng)絡傳送有功功率 , 因此有 :I in =2 sT s /2乙 I p sin (s t - d t =2I p cos (1經(jīng)推導得出開關網(wǎng)絡等效模型 , 如圖 3所示 。3.2輸出網(wǎng)絡建模為了得到負載

10、在諧振網(wǎng)絡中的等效阻抗 , 需先 對輸出網(wǎng)絡建模 。 由圖 1b 可知 , 整流器由頻率為 f s 的準正弦波電壓源驅(qū)動 。 因為 VD r1和 VD r2以 50%占空比交替導通 , 所以整流器可簡化成圖 4所示的 形式 , 頻率為 2f s 。根據(jù)輸出網(wǎng)絡的輸入電壓平均值與輸出電壓 U o 相等 , 忽略濾波電感損耗和電容損耗的情況下 , 輸入功率與負載消耗的功率相等兩個條件 , 可得輸 出網(wǎng)絡的等效輸入阻抗 R eq =(2/8(U o /I o =(2/8 R L , 推導可得輸出網(wǎng)絡等效模型如圖 5所示 。3.3諧振網(wǎng)絡建模由圖 1b 可知 , C s1, C s2在一個開關周期內(nèi)以

11、 50%的占空比交替充放電 , 從諧振網(wǎng)絡的角度來看 , 相當 于單個諧振電容以 100%占空比全程參與諧振 。 因 此可將諧振網(wǎng)絡等效為圖 6形式 。 設 n 為變壓器匝 比 , C s 為次級等效電容 , 則有 C s1=C s2=n 2C s , R ac =n 2R eq , U o (t =nU s (t 。 由此可得變換器直流增益表達式為 : Uin=41( (s r e (r r 姨(2 式中 :A =C s /C r ; C e =C r C s /(C r +C s ; B=8P o /(n 22U o 2, P o 為輸出功 率 ; F =s /r -r /s , r =1

12、/r r姨 。由以上分析可得倍流整流不對稱半橋 LCC 諧 振變換器的等效模型 , 如圖 7所示 。在 MathCAD 軟件中 , 可根據(jù)圖 7繪出不同負載 下的電壓增益曲線 , 如圖 8所示 。 通過調(diào)整電路參 數(shù) , 即可得到合適的增益曲線和工作頻率范圍 。圖 3開關網(wǎng)絡等效模型圖 4簡化的輸出網(wǎng)絡圖 5輸出網(wǎng)絡的等效模型圖 6簡化的諧振網(wǎng)絡圖 7倍流整流不對稱半橋 LCC 諧振變換器等效模型圖 2倍流整流不對稱半橋 LCC 諧振變換器模型圖 8輸出電壓增益曲線4實驗結(jié)果 為了考查倍流整流不對稱半橋 LCC 諧振變換 器的工作特性 , 制作了一臺以 NCP1395A 為控制器 的 12V/

13、1kW 樣機 , 具體參數(shù) :U in =360400V , 變壓 器 初 級 為 14匝 , 次 級 為 2匝 , 采 用 PQ3220磁 芯 ,TP4S 材質(zhì) ; L r =58H , T26.9×14.7×11.1環(huán)形磁芯 , -2材質(zhì) ; C r =37.6nF , C s1=C s2=800nF , PHE450材質(zhì) ; 開關 管 VQ 1, VQ 2型號為 IPW60R099, 整流二極管 VD r1, VD r2型號為 IR40CPQ100。 實驗波形見圖 9。圖 9a c 為不同負載下變換器開關管 VQ 1的驅(qū) 動電壓 u gsVQ1、 漏 -源電壓 u d

14、sVQ1、 正向電流 i VQ1(負向部 分為體二極管 VD 1導通時的波形 及諧振電流 i r 波 形 。 該圖表明 , 在不同的負載情況下 , VQ 1均能實現(xiàn)ZVS 開通 ; i r 波形近似為正弦波 , 隨著負載的增加 ,近似程度越高 , 并且體二極管導通時間在整個開關 周期內(nèi)占的比例越來越小 , 有利于優(yōu)化變換器效率 。 次級整流二極管同樣實現(xiàn)了零電流開關 , 在此不一 一給出波形 。 由圖 9d 所示變換器效率曲線可見 , 效 率隨著負載加重而平緩上升 。 若采用同步整流 , 效率 將得到進一步提高 。5結(jié) 論研究了 LCC 諧振變換器在低壓大電流場合應 用的可行性 。 在模態(tài)分析

15、的基礎上得到了變換器的 等效模型以及直流增益表達式 , 利用 MathCAD 軟件 繪制出輸出電壓 -頻率曲線 , 并通過調(diào)整曲線的形 狀 , 得到一組合適的實驗參數(shù) 。 制作了一臺輸出為12V/1kW 樣機 , 實驗證明 LCC 諧振變換器應用在低壓大電流場合是可行的 , 變換器在不同負載范圍 內(nèi)均能實現(xiàn)軟開關 。參考文獻1阮新波 , 嚴仰光 . 直流開關電源的軟開關技術 M.北京 :科 學出版社 , 2000. 2孫向東 , 段龍 . 高壓直流 LCC 諧振變換器的分 析 與 設計 J.電工技術學報 , 2002, 17(5:60-64.3鐘和清 , 徐至新 . 軟開關高 壓 開 關 電

16、源 研 究 J.高 電 壓 技 術 , 2003, 29(8:7-9.4王廣州 , 師宇杰 . 串并聯(lián)諧振倍壓變換器高壓電源的設計 與研究 J.高電壓技術 , 2006, 32(7:98-101.5Kutkut N H , Divan D M , Gascoigne R W.An Improved Full -bridge Zero -voltage -switching PWM Converter Using a Two -inductor RectifierJ.IEEETrans. on IA , 1995, 31(1 :119-126.圖 9變換器初級主要波形及效率曲線5結(jié) 論通過引入頻

17、率跟蹤控制 , 使串聯(lián)諧振全橋變換 器的開關頻率始終工作在諧振頻率處 , 實現(xiàn)了泥漿 發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子側(cè)的最大功率耦合和輸出電壓的 相對穩(wěn)定 , 并通過實驗驗證了理論分析的正確性 。 但在實際電路中 , 開關管的導通電阻 、 變壓器和諧振元 件的寄生電阻以及線路電阻等會引起功率的損耗以 及輸出電壓的下降 , 需作進一步探討 。參考文獻1J G Hayes , M G Egan.Rectifier -compensated Fundamental Mode Approximation Analysis of the Series Parallel LCLC Family of Resonant

18、Converters with Capacitive Output Filter and Voltage -source LoadA.IEEE.30thAnnual IEEE Power Electronics Specialists Conf.C.Charleston, 1999:1030-1036.2Robert W Erickson , Dragan Maksimovic.Fundamentals of Pow -er Electronics (Second Edition M.NewYork :Kluwer aca -demic publishers , 2001.3Chwei Sen Wang , O H Stielau , G A Covic.Load