LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數(shù)分析與應(yīng)用
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l 諧振電路
諧振網(wǎng)絡(luò)通常由多個(gè)無源電感或電容組成，由于元件個(gè)數(shù)和連接方式上的差異，常見實(shí)用的諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致分為兩類：一類是負(fù)載諧振型，另一類是開關(guān)諧振型。負(fù)載諧振型變換器是一種較早提出的結(jié)構(gòu)，注重電源電壓轉(zhuǎn)換比特性的改善，按照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。
1．1 串聯(lián)諧振
由于是串聯(lián)分壓方式，其直流增益總是小于1，類似BUCK變換器；輕載時(shí)為穩(wěn)住輸出電壓，必須提高開關(guān)頻率，在輕載或空載的情況下，輸出電壓不可調(diào)，輸入電壓升高使系統(tǒng)的工作頻率將越來越高于諧振頻率，而諧振頻率增加，諧振腔的阻抗也隨之增加，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(fù)載串聯(lián)諧振中，流過功率器件的電流隨著負(fù)載變輕而減小，使通態(tài)損耗減小。
1．2 并聯(lián)諧振
輸出端可以開路但不能短路，會(huì)損壞諧振電容，并且過大的原邊回路電流對(duì)開關(guān)器件及電源都會(huì)產(chǎn)生沖擊；輕載時(shí)，不需通過大幅改變頻率來穩(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(dāng)輕載時(shí)輸入電流變化不大，開關(guān)管的通態(tài)損耗相對(duì)固定，在輕載時(shí)的效率比較低，較為適合工作于額定功率處負(fù)載相對(duì)恒定的場(chǎng)合。
1．3 串并聯(lián)諧振
輸出電壓可高于或低于電源電壓，且負(fù)載變化范圍寬，是目前研究領(lǐng)域中較主流的結(jié)構(gòu)。
2 諧振參數(shù)分析
2．1 電路拓?fù)?/P>
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0．5占空比互補(bǔ)導(dǎo)通，Lr、Cr與變壓器的并聯(lián)電感Lm構(gòu)成LLC諧振網(wǎng)絡(luò)，整流二極管直接連接到輸出電容上。
LLC有兩個(gè)諧振諧振頻率，分別為Lm與Lr、Cr產(chǎn)生的串并聯(lián)諧振頻率
以及Lr和Cr產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率。
2．2 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(jìn)而來，由于較前兩者多了一個(gè)諧振元件其設(shè)計(jì)運(yùn)用也變得復(fù)雜。根據(jù)交流分析法得到LLC諧振變換器的輸入輸出特性為
2．2．1 k的影響
對(duì)于一個(gè)輸入輸出和功率一定的變換器而言，匝比n固定，如圖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(shí)也許達(dá)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，由于感值的減小其電流峰值增大，而原邊開關(guān)管關(guān)斷時(shí)流過的即為激磁電感的峰值電流，存在較大的關(guān)斷損耗，但若此關(guān)斷電流過小則會(huì)影響到零電壓開通，故k值的選擇應(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。
2．2．2 Q的影響
在確定了n和k值的情況下，Q值的大小直接關(guān)系到直流增益是否足夠大。對(duì)于特定的輸入電壓范圍Q值越小，所對(duì)應(yīng)的開關(guān)頻率范圍越小(對(duì)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(duì)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(fù)載較重的時(shí)候盡量選擇較小的Cr以達(dá)到要求的輸出電壓。
3 電路分析
當(dāng)開關(guān)頻率ff0時(shí)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)，就不展開討論了，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。
在f0ffr頻率范圍內(nèi)變換器會(huì)因負(fù)載不同，其工作過程也有所不同，當(dāng)電路工作在f0ffr范圍內(nèi)時(shí)Lr與Cr等效成一容Ceq，整個(gè)諧振腔等效為Lm和負(fù)載并聯(lián)再與Ceq，諧振腔阻抗到底呈感性還是容性就要根據(jù)頻率和負(fù)載的輕重(Q值大小)而定。運(yùn)用Saber軟件對(duì) LLC半橋諧振變換器在進(jìn)行仿真，并進(jìn)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=27．4μ，Lm=137μ，Cr=92．4n。
3．1 不同負(fù)載下的仿真與分析
3．1．1 滿載
滿載情況下的模態(tài)分析及仿真波形分別如圖3及圖4所示。
Model(t0～t1)：t0時(shí)刻S2關(guān)斷，諧振電流對(duì)C2、C1(分別為S2、S1的寄生電容)充放電，S1端電壓開始下降，當(dāng)降為零時(shí)S1的體二極管導(dǎo)通，為S1的ZVS創(chuàng)造條件。變壓器原邊電壓為上正下負(fù)，D1和D4導(dǎo)通，Lm兩端電壓被箝位為nVo，iLm線性上升，諧振只發(fā)生在Lr和Cr之間，Lm未參與諧振。
Mode2(t1～t2)：t1時(shí)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，由于T>Tr,ir經(jīng)過半個(gè)周期諧振之后S1仍開通，當(dāng)ir下降到iLm時(shí)流過D1和D4電流為零，實(shí)現(xiàn)了整流二極管的ZCS關(guān)斷。
Mode3(t2一t3)：D1和D4 ZCS關(guān)斷后變壓器原副邊完全脫開，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、Cr一起諧振，由于Lm較Lr大得多，此時(shí)的諧振周期明顯變長，近似認(rèn)為ir保持不變。t3時(shí)刻S1關(guān)斷。
下半個(gè)周期的分析與上述過程對(duì)稱，這里就不再詳述了。
從模態(tài)分析可見整個(gè)工作過程中包括了兩個(gè)諧振過程，一個(gè)是Lr和Cr的諧振，另一個(gè)則是Lm與Lr、Cr一起諧振。
3．1．2 輕載
當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，諧振電容上的電壓變低，如果其兩端電壓降到滿足條件
副邊整流二極管將不會(huì)導(dǎo)通。從ir和iLm的波形可以看出，向副邊傳輸?shù)哪芰肯鄬?duì)較小，原邊有較大環(huán)流存在，這使得變換器在輕載時(shí)損耗較大，然而也正因?yàn)檩^大的環(huán)流保證了開關(guān)管在較輕載時(shí)也能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，如圖5所示。
3．1．3 過載
負(fù)載過重時(shí)諧振電容兩端電壓紋波較大，當(dāng)滿足條件
時(shí)，其工作過程較滿載情況下有所不同，在諧振電流ir下降到等于iLm后由于有太多的能量存儲(chǔ)在諧振電容上，較高的VCr會(huì)使整流二極管導(dǎo)通，進(jìn)入另一個(gè)諧振過程。從圖6(a)的ir和iLm波形可見這個(gè)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(huì)使另一MOS管的開通失去零電壓開通的條件，如圖6(b)所示，諧振回路呈容性。
從上面的仿真分析可知，當(dāng)頻率一定時(shí)負(fù)載越重橋臂中點(diǎn)間阻抗越易呈容性，負(fù)載越輕則易呈感性，更有利于開關(guān)管的零電壓開關(guān)。
3．2 與f>fr時(shí)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(shí)現(xiàn)了整流二極管的零電流關(guān)斷，消除了反向恢復(fù)產(chǎn)生的損耗。
而f>fr時(shí)的不同就在于由于f>fr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(duì)C1、C2充放電 ir下降，當(dāng)S2ZVS開通后ir迅速下降，下降到ir=iLm沒有能量傳送到副邊，此時(shí)副邊整流二極管完成換流，開始了另半個(gè)周期對(duì)稱的工作過程，可見 Lm一直未參與諧振，更像是普通諧振，同時(shí)整流二極管上電流連續(xù)，換流時(shí)會(huì)由于反向恢復(fù)帶來損耗。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與波形
在上述理論分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)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 DSEll2—12A，變壓器原副邊匝比n=0．342，諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為Lr=27．4μH，Lm=137μH，Cr=92nF。如圖7所示，VAB為橋臂中點(diǎn)電壓，ir為諧振回路電流的實(shí)驗(yàn)波形圖。圖8和圖9分別是滿載與輕載時(shí)上、下兩個(gè)MOS管的vgs和vds波形，從實(shí)驗(yàn)中也可以看出即使在較輕負(fù)載的情況下仍然能滿足開關(guān)管零電壓開通的條件，LLC諧振變換器能在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，在300W時(shí)其變換效率可達(dá)95％以上。
本文對(duì)LLC型串并聯(lián)諧振半橋變換器在f0ffr頻率范圍內(nèi)的工作情況作了詳細(xì)分析，并對(duì)三種主要負(fù)載情況進(jìn)行了仿真分析，并針對(duì)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)主要參數(shù)及其對(duì)變換器設(shè)計(jì)與應(yīng)用產(chǎn)生的影響做了敘述，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
評(píng)論