LLC型串并聯(lián)諧振變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1引言

重量輕、體積小、高效率的“綠色電源”已成為電源產(chǎn)品的發(fā)展方向。“軟開關(guān)”技術(shù)是通過(guò)在開關(guān)電路中引入緩沖電感和電容，利用其諧振使得開關(guān)器件中電流或兩端電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過(guò)零時(shí)使器件關(guān)斷，當(dāng)電壓下降到零時(shí)使器件開通，即零電流開關(guān)（ZCS）和零電壓開關(guān)（ZVS）[1]。對(duì)于中小功率直流變換器而言，采用高頻軟開關(guān)技術(shù)控制的半橋拓?fù)湟子趯?shí)現(xiàn)高頻化，減小變換器體積，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。

LLC型串并聯(lián)諧振變換器可實(shí)現(xiàn)在全電壓范圍及全負(fù)載條件下主功率管的ZVS和整流二極管的ZCS，效率較高，且有利于高頻化[2,3]。

2電路工作原理

半橋LLC串并聯(lián)諧振變換器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，VT1、VT2組成上下一對(duì)橋臂，C1、C2和VD1、VD2分別為MOS管VT1、VT2的結(jié)電容和寄生反并二極管，諧振電感Lr、諧振電容Cr和變壓器激磁電感Lm構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)，Cr也起了隔直電

容的作用。變壓器副邊為橋式整流，Co為輸出濾波電容。

LLC諧振變換器有兩個(gè)本征諧振頻率，定義由Lr和Cr發(fā)生諧振的諧振頻率為：

由Lr、Lm和Cr發(fā)生諧振時(shí)的諧振頻率為：

變換器工作在fmfsfr頻率范圍內(nèi)，基于SABER仿真如圖2所示，VCr是Cr兩端電壓，Vds1為MOS管VT1漏-源電壓，io為輸出電流，ir和im分別為諧振電流和變壓器原邊激磁電流。

電路工作可分為兩個(gè)階段：

(1)傳輸能量階段：Lr和Cr流過(guò)正弦電流且ir>im，能量通過(guò)變壓器傳遞至副邊；

(2)續(xù)流階段：ir=im，原邊停止向副邊傳遞能量，Lr、Lm和Cr發(fā)生諧振，整個(gè)諧振回路感抗較大，變壓器原邊電流以相對(duì)緩慢的速率下降。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)可以使MOS管實(shí)現(xiàn)ZVS，副邊整流二極管在ir=im時(shí)電流降至零，實(shí)現(xiàn)ZCS。變換器工作在fmfsfr頻率范圍內(nèi)時(shí)較為有利。

半橋LLC諧振電路是一非線性電路，采用基波法將其轉(zhuǎn)換為一線性電路（如圖3），推導(dǎo)得變換器直流增益Gdc為：

其中x為開關(guān)頻率fs相對(duì)于諧振頻率fr的歸一化頻率；n為變壓器原副邊匝比；系數(shù)k是Lr把Lm歸一化的量，定義k=Lm/Lr；串聯(lián)諧振電路品質(zhì)因數(shù)為Q。

變換器能量傳遞主要由諧振網(wǎng)絡(luò)從輸入源側(cè)傳送到負(fù)載端，諧振網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)變換器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。而LLC諧振變換器各參數(shù)間關(guān)系及影響較兩元件諧振變換器復(fù)雜，需在初步確定各參數(shù)值的基礎(chǔ)上再進(jìn)行整體優(yōu)化。

先根據(jù)電壓增益和工作頻率選取n，n需滿足輕載下的最低直流增益要求。再根據(jù)式(3)在Vin最大且空載（Q=0）情況下須達(dá)到要求的Vo來(lái)選取k值。當(dāng)n、k固定時(shí)，Gdc、x和Q的關(guān)系如圖4所示。每條增益曲線隨著頻率的增大都是先

增大后減小，在某個(gè)頻率點(diǎn)處都有一拐點(diǎn)，且隨Q的增大最大直流增益減小，拐點(diǎn)頻率則增大。

圖5中im的仿真波形分別是在重載、額定載荷、輕載三種不同負(fù)載下得到的，從左到右負(fù)載變輕即Q減小，最右邊電流波形（圖中的實(shí)線）是近乎于空載的情況。Vin和x一定時(shí)，由于Q減小Lm兩端電壓增大（但ΔuL較?。?，im有所增大且

變化較小，電流滯后于電壓的相位角也增大，在負(fù)載很輕時(shí)（圖中用實(shí)線表示），電流與電壓之間的夾角將近90°。

對(duì)于各Q值相應(yīng)的Gdc曲線上的拐點(diǎn)，在此引入歸一化輸入阻抗：

式中Zn為歸一化輸入阻抗，Zin為諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗，Zr為特征阻抗Zr=2πfrLr。當(dāng)輸入阻抗呈阻性時(shí)得：

諧振網(wǎng)絡(luò)工作在感性區(qū)時(shí)，電流滯后于電壓，當(dāng)一橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，電流對(duì)上、下橋臂MOS管結(jié)電容充放電，使得另一橋臂零電壓開通。x>xz時(shí)工作于感性區(qū)域，由式(3)和(5)得：

Qmax是在輸入阻抗為阻性時(shí)的值，工程上一般取5%的余量，即QZVS1=95%·Qmax。

變換器從空載至滿載均要實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，則空載且Vin最大時(shí)仍需滿足零電壓開關(guān)的條件：

其中Ceq為MOS管的寄生結(jié)電容，td為VT1、VT2均沒有觸發(fā)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。

在fmfsfr范圍內(nèi)選取Q≤Qmin{QZVS1,QZVS2}，確保隨著Vin升高，為維持Vo而提高開關(guān)頻率的變換器仍工作在感性區(qū)域。

圖6表示n、Q一定，不同k值時(shí)Gdc曲線圖，可見k值越小時(shí)相同頻率變化范圍內(nèi)Gdc變化越明顯，有利于寬Vin范圍的調(diào)節(jié)；而k越小在一定程度上Lm越小，則由電流增加帶來(lái)的開關(guān)管及變壓器損耗的增加會(huì)影響變換效率。k值越大時(shí)最大Gdc越小，Vin較低時(shí)使得Vo無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，且k越大fm和fr間頻率范圍越大，不利于磁性元件的設(shè)計(jì)，需折中優(yōu)化選取k值。

根據(jù)上述步驟選定主要諧振參數(shù)后，結(jié)合各參數(shù)間的相互關(guān)系，可進(jìn)行合理優(yōu)化選取。

本文選用L6599作為控制芯片，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。L6599是意法半導(dǎo)體(ST)于2006年推出的專為串聯(lián)諧振半橋拓?fù)湓O(shè)計(jì)的雙終端控制器芯片[5]，可直接連接功率因數(shù)校正器的專門輸出，輕載時(shí)能讓電路工作于突發(fā)模式，提高輕載時(shí)變換器的轉(zhuǎn)換效率。芯片外圍主要引腳設(shè)置見圖7。

樣機(jī)的主要參數(shù)如下：

Vin=270V±10%，DC

Vo=±180V，DC

Po=550W

按上述方法選取n=0.4，k=6.5，Q=0.39，電路最小工作頻率120kHz，諧振頻率100kHz，諧振參數(shù)為L(zhǎng)m=130μH，Lr=20μH，Cr=0.15μF。

Vin相同負(fù)載變化時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)的Zn、Gdc變化使得fs變化，實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。

(a)輕載(b)額定載

Vin一定（輸入為額定電壓）、負(fù)載不同時(shí)，開關(guān)管ZVS的實(shí)現(xiàn)如圖9所示。對(duì)于相同的Gdc，隨著載變輕fs會(huì)相應(yīng)提高，但根據(jù)設(shè)計(jì)仍能保證開關(guān)管的ZVS。

(a)Po=100W(b)Po=550W

Po相同而Vin不同時(shí)此樣機(jī)在整個(gè)Vin范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)功率管的ZVS，見圖10。

(a)Vin=243V(b)Vin=300V

由圖9和圖10可見，該樣機(jī)在要求的電壓和輸出負(fù)載范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開通。

諧振變換器正是靠改變fs來(lái)調(diào)節(jié)Vo的，圖11(a)表示隨著Vin升高fs變大；圖11(b)則表示Vin時(shí)負(fù)載電流的增大而fs減小，與理論分析的基本一致。

(a)Po=550W，不同Vin時(shí)開關(guān)頻率曲線

(b)Vin=270V，不同Po時(shí)開關(guān)頻率曲線

圖11（a）Po=550W，不同Vin時(shí)開關(guān)頻率曲線；(b)Vin=220V，不同Po時(shí)開關(guān)頻率曲線

圖12(a)最高效率在95%以上，額定輸出時(shí)效率為94.5%；在Po一定時(shí)，隨著Vin的升高，Iin減小，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗及變壓器的銅損有所減小，變換器效率相應(yīng)的有所提高，如圖12(b)。

(a)Vin=270V時(shí)不同Po的效率曲線

(b)Po=550W時(shí)不同Vin效率曲線

圖12(a)Vin=270V時(shí)不同Po的效率曲線；(b)Po=550W時(shí)不同Vin的效率曲線

5結(jié)語(yǔ)

本文介紹了LLC型串并聯(lián)諧振半橋變換器的直流增益特性、諧振腔阻抗特性以及軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件等，并根據(jù)分析給出主要參數(shù)設(shè)計(jì)方法，以及集成芯片L6599外圍控制電路設(shè)計(jì)。最后調(diào)試完成550W樣機(jī)一臺(tái)，試驗(yàn)結(jié)果證明上述分析及設(shè)計(jì)方法的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]陳堅(jiān)，電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)，北京，高等教育出版社，2002：289~314.

[2]Lazar,J.F.,Martinelli.R,Steady

stateAnalysisoftheLLCSeriesResonantConverter,AppliedPowerElectronics

ConferenceandExposition.Vol.2,March2001:728~735.

[3]BoYang,FredC.Lee,AlphaJ.Zhang,GuisongHuang,LLCResonantConverterfor

FrontEndDC/DCConverter,AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition.Vol.2,

March2002:1108~1112.

[4]ROBERTL.STEIGERWAID.AComparisonofHalf-BridgeResonantConverterTopologies

[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,1988,4:174-182.

[5]LLCresonanthalf-bridgeconverterdesignguideline,ApplicationNote2450.

作者簡(jiǎn)介

沈萍：女，1982年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣β孰娮幼儞Q技術(shù)。■