淺析寬電壓輸入半橋型LLC諧振變換器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

此處設(shè)計(jì)的變換器參數(shù)為：額定功率100 W，最大效率大于90％。最大輸入電壓Uimax=400 V，最小輸入電壓Uimin=250 V，輸出電壓Uo=36 V。相對(duì)應(yīng)的最大和最小Gdc分別為0．144和0．086。n=Uimax／(2Uo)=5．833≈6。合理設(shè)計(jì)Q，K，取fr=200kHz，使其在n=6的情況下滿(mǎn)足Gdc要求。

當(dāng)Q=0．4，K=3時(shí)，Gdc與fs關(guān)系如圖3所示。當(dāng)變換器工作頻率為fm時(shí)，Gdc為最大值0．149；當(dāng)變換器工作頻率為fr時(shí)，Gdc為最小值0．84。因此，當(dāng)輸入電壓從250 V變化到420 V時(shí)，fs保持在fm和fr之間，可實(shí)現(xiàn)初級(jí)開(kāi)關(guān)管的ZVS及次級(jí)二極管的ZCS，從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求?？汕蟮酶髦C振器件參數(shù)值為Re=8n2RL／π2，Lr=QRe／(2πfr)=120．4μH，Cr=Lr／(QRe)2=5 261 pF，Lm=KLr=361．1μH。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上參數(shù)，制作一臺(tái)100W半橋LLC諧振變換器樣機(jī)，以L(fǎng)6599為控制芯片，分別給出不同負(fù)載時(shí)變換器主要元件工作波形及效率曲線(xiàn)。

圖4a，b分別示出輸入250 V，400 V的主要工作波形。其中iLr為諧振槽支路電流，uab為初級(jí)橋輸入電壓。當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，工作頻率fs發(fā)生相應(yīng)變化，Uo穩(wěn)定于36 V。iLr波形滯后于uab波形?？梢?jiàn)，開(kāi)關(guān)管可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

圖5a，b分別示出輸入250 V，400 V的次級(jí)兩個(gè)整流二極管電流波形。當(dāng)Uin增大時(shí)，fs升高，iVD1和iVD2的最大值變小，在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間增加。當(dāng)iVD1減小為零時(shí)，iVD2尚未導(dǎo)通，iVD1實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷；當(dāng)iVD2減小為零時(shí)，iVD1尚未導(dǎo)通，iVD2實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。變換器實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。

該變換器中，fs的變化影響著Gdc的變化。通過(guò)圖3可得到不同fs對(duì)應(yīng)的Gdc，得到在不同輸入電壓條件下的工作頻率。圖6示出實(shí)驗(yàn)得到相應(yīng)的fs變化曲線(xiàn)，可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)值與理論值基本吻合，變換器工作于設(shè)定工作頻率范圍內(nèi)。4 損耗分析

對(duì)于小功率變換器，損耗對(duì)其效率的影響較大。通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，LLC諧振變換器可方便地實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的ZVS及次級(jí)二極管的ZC S，極大地減小變換器損耗。在其他損耗方面主要源于變壓器和諧振電感的銅損和磁損，開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，整流二極管的導(dǎo)通損耗。通過(guò)分析與計(jì)算可得，滿(mǎn)載輸出時(shí)的總損耗為10．9 W，變換器滿(mǎn)載時(shí)工作效率約為90．2％。

圖7a為滿(mǎn)載損耗比例，可得在輸出電流較小的小功率變換器中，變壓器損耗所占比例最大。其中主要為銅損，可通過(guò)改進(jìn)繞制工藝盡可能減小變壓器銅損。其次為整流二極管導(dǎo)通損耗，可通過(guò)同步整流來(lái)減小帶來(lái)的損耗。圖7b為輸入電壓350 V的效率η曲線(xiàn)。該變換器最高效率為93．95％，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在250～400 V輸入電壓工作范圍內(nèi)，滿(mǎn)載時(shí)η>90％，與理論計(jì)算一致。

5 結(jié)論

此處設(shè)計(jì)的半橋LLC諧振電路適用于寬電壓輸入環(huán)境，通過(guò)脈沖頻率調(diào)制，使得變換器工作頻率不再受到限制，有效地減小了變換器體積。對(duì)于小功率電源，元器件損耗會(huì)嚴(yán)重影響到整機(jī)效率。通過(guò)合理設(shè)計(jì)，該變換器可很好地實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，從而提升電路工作效率。

此處在分析變換器工作原理基礎(chǔ)上，分析了各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)變換器性能的影響，并設(shè)計(jì)出一臺(tái)100 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行研究。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，該變換器可很好地實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，樣機(jī)工作效率達(dá)到93．95％，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。