副邊電壓應(yīng)力最大化的llc諧振變流器的設(shè)計(jì)

副邊電壓應(yīng)力最大化的llc諧振變流器的設(shè)計(jì)

0控制型軟開關(guān)拓?fù)涞倪x擇不同的變流映射適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，主要原因是不同的開源代碼數(shù)量，不同的開源代碼電壓、電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度和其他電壓。正激、反激等DC/DC變流器拓?fù)涞母边叾O管電壓平臺(tái)是輸出電壓的2倍左右,考慮到反向恢復(fù)帶來(lái)的電壓尖峰,二極管的電壓應(yīng)力基本上為輸出電壓的4倍。移相全橋變流器、不對(duì)稱半橋變流器等控制型軟開關(guān)拓?fù)涞母边叾O管應(yīng)力也是輸出電壓的4倍(考慮反向恢復(fù))。如果將移相全橋變流器、不對(duì)稱半橋變流器的副邊接成橋式整流的結(jié)構(gòu),那么副邊二極管應(yīng)力可以降到輸出電壓的兩倍。LLC諧振變流器不僅原邊的開關(guān)工作于控制型軟開關(guān)的狀態(tài),而且副邊二極管工作于零電流關(guān)斷的狀態(tài),所以不會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。如果也采用橋式整流結(jié)構(gòu),二極管電壓應(yīng)力等于輸出電壓。相對(duì)以上的拓?fù)鋪?lái)說(shuō)比較適合高壓輸出的場(chǎng)合。本文提出了一種新穎的LLC諧振變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其副邊二極管的電壓應(yīng)力以及輸出電容的電壓應(yīng)力均為輸出電壓的一半。是高壓直流電源的理想候選拓?fù)?。在高電壓輸出時(shí),可以比較容易選到合適的二極管和電解電容。文中以一個(gè)1100W的電力操作電源為例子驗(yàn)證了這個(gè)拓?fù)涞目煽啃院蛯?shí)用性。1零式特性變量分布LLC諧振變流器副邊二極管工作于零電流關(guān)斷的狀態(tài),基本上沒有反向恢復(fù)的問題,從而不會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。所以對(duì)于高壓輸出的場(chǎng)合,LLC諧振變流器是比較合適的拓?fù)?。但是同樣是LLC諧振變流器,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以改進(jìn),進(jìn)一步降低副邊元器件的電壓應(yīng)力來(lái)適應(yīng)高電壓輸出的應(yīng)用。圖1(a)所示的是電流型零式整流結(jié)構(gòu),是最常用的LLC諧振變流器的副邊電路。圖1(b)所示的是電流型橋式整流結(jié)構(gòu),和電流型零式整流結(jié)構(gòu)相比,其二極管的電壓應(yīng)力降低了一半,增益提高了一倍,更適合高壓輸出的應(yīng)用。圖1(c)是梯形倍壓結(jié)構(gòu),它也可以用作LLC諧振變流器的副邊電路,和電流型橋式整流結(jié)構(gòu)相比,其增益又增加了一倍。另外,它的兩個(gè)電容C2和C3的電壓應(yīng)力分別是Uo/2和Uo。各個(gè)二極管的電壓應(yīng)力均是Uo,相對(duì)上面兩種結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)它更適合高壓輸出應(yīng)用。但是如果能將C3以及各個(gè)二極管的電壓應(yīng)力也都降到輸出電壓的一半,該拓?fù)渚透舆m合高壓輸出的應(yīng)用了。圖1(d)(e)(f)就給出了實(shí)現(xiàn)這種設(shè)想的拓?fù)溲莼^程。首先用兩個(gè)相同的元器件串連來(lái)取代原先的一個(gè)元器件,然后將D4移至下面,最后將C3、C4的中點(diǎn)和D1、D3的中點(diǎn)相連。這樣得到的電路稱為電壓應(yīng)力最小化的副邊電路。表1所示的是上述幾種結(jié)構(gòu)在電壓應(yīng)力以及直流增益上的比較。圖2給出了副邊電壓應(yīng)力最小化的LLC諧振變流器的完整拓?fù)洹?諧振過程分析該變流器的一個(gè)開關(guān)周期可以分為8個(gè)工作階段,其工作波形如圖3所示,每個(gè)階段的等效電路如圖4所示。具體的工作過程描述如下:(1)階段1[t0～t1]:在t0時(shí)刻S1、S4開通,原邊諧振電流ip流過S1、S4,并以正弦形式逐漸上升。在輸出側(cè),二極管D3、D4導(dǎo)通,C1、C2、C3上的電壓之和將變壓器鉗位。因此原邊的諧振是發(fā)生在Ls和Cs之間,流過Lm的勵(lì)磁電流iLm線性上升。直到t1時(shí)刻,即ip和iLm相等時(shí)該階段結(jié)束。(2)階段2:[t1～t2]:t1時(shí)刻由于ip和iLm相等,二極管D3、D4上電流自然過零而關(guān)斷,因此幾乎沒有反向恢復(fù)的過程。同時(shí),C1、C2、C3上的電壓不再對(duì)變壓器箝位,那么Lm就成為自由的諧振電感,Lm與Ls加在一起與Cs諧振。這個(gè)諧振周期要比前一個(gè)諧振周期大得多,所以在這段時(shí)間里,原邊電流可以看作近似不變,Lm是一個(gè)恒流源。直到S1、S4的門極信號(hào)為低電平,該階段結(jié)束。(3)階段3[t2～t3]:在時(shí)刻t3,S1、S4關(guān)斷,于是原邊電流ip對(duì)S1、S4的寄生電容充電,同時(shí)對(duì)S2、S3的寄生電容放電。此時(shí)輸出側(cè)D1、D2導(dǎo)通,C1上的電壓將變壓器箝位。直至S2、S3的寄生電容上的電壓放電到零該階段結(jié)束。(4)階段4[t3～t4]:當(dāng)S2、S3的結(jié)電容上的電壓下降到零之后,原邊電流就流過S2、S3的體二極管,并且以正弦形式反向增大。由于S2、S3的體二極管的導(dǎo)通,使得S2、S3的漏源電壓保持為零,為S2、S3的零電壓開通創(chuàng)造了條件。當(dāng)S2、S3的門極為高電平,該階段結(jié)束。(5)階段5[t4～t5]:在t4時(shí)刻,S2、S3開通,原邊諧振電流ip流過S2、S3,并以正弦形式逐漸反向上升。在輸出側(cè),二極管D1、D2導(dǎo)通,C1上的電壓繼續(xù)將變壓器鉗位。因此原邊的諧振是發(fā)生在Ls和Cs之間,流過Lm的勵(lì)磁電流iLm線性下降。直到ip和iLm相等時(shí)該階段結(jié)束。(6)階段6[t5～t6]:t5時(shí)刻由于ip和iLm相等,二極管D1、D2上電流自然過零而關(guān)斷,是零電流關(guān)斷,因此幾乎沒有反向恢復(fù)的過程。此時(shí),C1上的電壓不再對(duì)變壓器箝位,那么Lm就成為自由的諧振電感,Lm與Ls加在一起與CS諧振。直到S2的門極信號(hào)為低電平,該階段結(jié)束。(7)階段7[t6～t7]:在時(shí)刻t6,S2、S3關(guān)斷,于是原邊電流ip對(duì)S2,S3的寄生電容充電,同時(shí)對(duì)S1、S4的寄生電容放電。此時(shí)輸出側(cè)D3、D4導(dǎo)通。直至S1、S4的寄生電容上的電壓放電到零該階段結(jié)束。(8)階段8[t7～t8]:當(dāng)S1、S4的結(jié)電容上的電壓下降到零之后,原邊電流就流過S1、S4的體二極管,并且以正弦形式反向增大。由于S1、S4的體二極管的導(dǎo)通,使得S1、S4的漏源電壓保持為零,為S1、S4的零電壓開通創(chuàng)造了條件。當(dāng)S1、S4的門極為高電平,該階段結(jié)束。以上的分析中可以得到兩個(gè)諧振周期,其中一個(gè)為L(zhǎng)s和Cs的諧振周期,定義為Ts,可以表達(dá)為而另外一個(gè)諧振周期為(Lm+Ls)和Cs的諧振周期,定義為Tm,可以表達(dá)為一個(gè)開關(guān)周期T里包含了一個(gè)完整的諧振周期Ts以及諧振周期Tm的一部分。通過調(diào)節(jié)這兩個(gè)諧振過程的比例來(lái)調(diào)節(jié)輸入輸出的關(guān)系。由以上分析可以看到原邊開關(guān)工作于ZVS,副邊二極管工作于ZCS。由于C2、C3上的電壓之和是輸出電壓Uo,根據(jù)波形的對(duì)稱性可以得到C1上的電壓為輸出電壓的一半。如果D1～D4有明顯的反向恢復(fù),并且反向恢復(fù)電流和時(shí)間具有一定的離散性,那么會(huì)造成C2、C3上電壓不均。而該電路的副邊二極管恰好工作于ZCS狀態(tài),基本沒有反向恢復(fù)。所以電容C2、C3的均壓比較容易實(shí)現(xiàn),只需要在C2、C3上各并聯(lián)一個(gè)阻值較大的電阻即可,這兩個(gè)電阻上的損耗可以小到幾乎不影響變換效率(下面的實(shí)驗(yàn)里電阻的損耗設(shè)計(jì)為輸出功率的0.2%以下)。同時(shí),這兩顆電阻可以使得變流器空載工作時(shí)開關(guān)頻率不至于過高。3設(shè)計(jì)方法3.1設(shè)計(jì)方法分析本文所提出的副邊電壓應(yīng)力最小化的LLC諧振型變換器的原邊電路的工作情況和普通的LLC諧振型變流器是相同的,所以設(shè)計(jì)方法也是相同的,詳見文獻(xiàn)。下面主要分析該變流器副邊電路的設(shè)計(jì)方法。和傳統(tǒng)的LLC諧振型變換器相比,副邊電壓應(yīng)力最小化的LLC諧振型變換器變壓器副邊電壓減半,而電流加倍,原邊電壓電流都是相同的。所以只要將變壓器副邊繞組匝數(shù)減半而線徑加倍即可。而傳統(tǒng)的LLC諧振型變換器變壓器的設(shè)計(jì)可以詳見參考文獻(xiàn)。3.2電壓應(yīng)力副邊電壓應(yīng)力最小化的LLC諧振型變換器的副邊有3個(gè)電容C1、C2、C3。這3個(gè)電容的電壓應(yīng)力均為輸出電壓的一半。這對(duì)于高壓輸出的應(yīng)用特別有利。C1、C2、C3上的電流波形如圖3所示。根據(jù)圖3,C1的開關(guān)紋波峰峰值ΔU和電容容量C的關(guān)系可以用以下的式子來(lái)表達(dá)C2、C3的開關(guān)紋波峰峰值ΔU和電容容量C的關(guān)系可以近似地用以下的式子來(lái)表達(dá):3.3電壓平臺(tái)的選擇前面已經(jīng)分析了二極管工作于零電壓關(guān)斷狀態(tài),所以不會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰,所以二極管的電壓應(yīng)力只需考慮電壓平臺(tái)即可,也就是等于輸出電壓的一半。因此這一點(diǎn)也使得該變流器適合用于輸出電壓較高的場(chǎng)合。二極管的電流應(yīng)力的分析比較復(fù)雜,流過二極管的電流波形應(yīng)該是一個(gè)正弦半波和激磁電流的差,為了便于工程計(jì)算假設(shè)它為正弦半波。二極管上電流平均值就是輸出電流Io,而二極管上電流峰值可以近似表示為4變壓器激磁強(qiáng)度和負(fù)載的測(cè)量一個(gè)采用副邊電壓應(yīng)力最小化的LLC諧振型變換器拓?fù)浒凑针娏Σ僮麟娫吹囊?guī)格設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了以上的分析。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的規(guī)格和主要參數(shù)如下:輸入電壓Uin為240V-400V;輸出電壓Uo=220V;輸出電流Io為0～5A;主開關(guān)S1,S2,S3,S4為IRF460;整流二極管D1～D4為B20150;變壓器TR中n=46:12;激磁電感為260μH;漏感為55μH;諧振電感Lm和Ls集成于TR中;諧振電容C1=19.8nF。為了使得兩個(gè)輸出電容C2、C3上的電壓能夠保證平衡,并且空載時(shí)的工作頻率不至于過高,在C2和C3上各并了一個(gè)10K的電阻。這兩個(gè)電阻上的損耗之和僅為滿載輸出功率的0.2%,幾乎不會(huì)影響變換效率。表2是不同輸入電壓不同負(fù)載下的變換效率的測(cè)量值(其中對(duì)應(yīng)于空載的數(shù)據(jù)是空載損耗)。可以看到,高端輸入的滿載效率高達(dá)96%以上。表3是不同輸入電壓不同負(fù)載下的開關(guān)頻率的測(cè)量值。圖5是在不同輸入電壓不同負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)波形?？梢钥吹綄?shí)驗(yàn)波形和以上的理論分析完全吻合。原邊開關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZVS,副邊二極管實(shí)現(xiàn)了ZCS,所有副邊的元器件的電壓應(yīng)力均為輸出電壓的一半。其中圖5(f)中vT和vD波形上有一段振蕩,那是因?yàn)楦边叾O管電流過零自然關(guān)斷后變壓器繞組不受輸出電壓的箝位,但是二極管有寄生電容,會(huì)和變壓器激磁電感發(fā)生諧振。不過二極管上諧振電壓并不會(huì)超過電壓平