低压大电流LCC谐振变换器研究

1、定稿日期 :2009-08-11作者简介 :张祖勋 (1984-, 男 , 湖 南 宁 乡 人 , 硕 士 研 究 生 , 研究方向为数字化高频开关电源和变频技术 。1引 言谐振变换器是软开关技术中重要的分支 , 一般 分为串联谐振 、 并联谐振及串 -并联谐振即 LCC 谐 振三大类 1。 谐振变换器的主要优点是 :在宽负载范 围内均能实现软开关 , 易实现高效率 ; 谐振电流波形 呈正弦波 , 较容易解决电磁干扰问题 。 过去 , 由于谐 振变换器对负载很敏感 , 需要采用调频控制 , 不利于 磁性元器件和稳定性设计而发展缓慢 。 近年来 , 随着 谐振变换器专用控制芯片的相继推出 , 业

2、界掀起了 研究谐振变换器的热潮 , 特别在通信电源 、 液晶电视 背光电源 、 笔记本电脑适配器等应用场合备受关注 。LCC 谐振变换器常用于高压小电流场合 2-4, 但其在低压大电流场合的应用却鲜有报道 。 在此尝试 将 LCC 谐振电路应用到低压大电流场合 , 为了满足 输出大电流 , 并降低输出整流管的电流应力 , 采用了 倍流整流方式 。 该方式下整流二极管与次级谐振电 容并联 , 使得二极管能够自然换流 , 以避免反向恢复 引起的电压振荡和电压尖峰 5。2LCC 谐振变换器工作模态分析倍流整流不对称半桥 LCC 谐振变换器拓扑结 构及其工作波形如图 1所示 。 谐振电感 L r 、

3、初级谐振电容 C r 、 次级谐振电容 C s1, C s2与变压器一起组成 LCC 谐振回路 。在分析倍流整流不对称半桥 LCC 谐振变换器 工作原理之前假设 : 所有开关管和二极管均为理 想器件 ; 所有电感 、 电容 、 变压器均为理想器件 ; 输出滤波电容 C f 足够大 , 可视为恒压源 。(1 模态 1t 0, t 1t 0时刻 , VQ 2关断 , 初级谐振 电流 i r 流经 VQ 1的体二极管 VD 1, 为 VQ 1实现零电 压开通创造条件 , 所以应在 VD 1导通期间向 VQ 1施低压大电流 LCC 谐振变换器研究张祖勋 , 谢兴菊 , 王志强(华南理工大学 , 广东

4、广州510640摘要 :研究了倍流整流不对称半桥串并联谐振变换器 , 即 LCC 谐振变换器在低压大电流场合应用的可行性 。 在分析 变换器工作模态的基础上 , 利用基波近似法 (Fundamental Harmonic Approximation , 简称 FHA 建立了变换器的稳态 模型 , 推导出直流增益表达式 , 依此表达式在 MathCAD 软件中绘制了不同负载下的输出电压 -频率曲线 , 并根据曲线 设计了实验参数 。 制作了一台输出为 12V/1kW 的样机 , 并给出了实验波形 。 实验结果表明 , 变换器在不同负载下均 能实现软开关 , 证明 LCC 谐振变换器可以应用于低压

5、大电流场合 。 关键词 :谐振变换器 ; 低压大电流 ; 软开关 ; 倍流整流 中图分类号 :TM46文献标识码 :A文章编号 :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图 1LCC 谐振变换器主电路拓扑及主要工作波形加驱动信号 。 次级谐振电容 C s2电压 u C s2在 t 0时刻达 到峰值 , 在 t 0, t 1间隔内向滤波电感 L f2放电 , 以维持 L f2电流基本不变 。 当 i r 过零时 , 该模态结束 。 (2 模态 2t 1, t 2t 1时刻 , i r 过零 , VQ 1开通 , 输 入电压源 U in 开始向变换器次级传递能量 。 次级谐 振电流 i s 在 t 1时刻过零 , C s2分别向

7、 L f1, L f2放电 。 当 u C s2下降为零时 , 该模态结束 。(3 模态 3t 2, t 3t 2时刻 , C s2放电完毕 , u C s2下 降为零 , 使得整流管 VD r2自然导通 , 此时 i s 刚好与 I o1相等 。 t 2, t 3间隔内 , VQ 1始终导通 , U in 不断向次 级传递能量 , i s 除了维持 I o1外 , 还向 C s1充电 。 在 VQ 1关断时刻 , 该模态结束 。模 态 4、 模 态 5、 模 态 6由 对 称 性 可 得 到 与 模 态 1、 模态 2、 模态 3类似的结果 , 不再赘述 。3LCC 谐振变换器稳态建模谐振变

8、换器稳态建模的目的是得到不同开关频 率下变换器的输出增益表达式及增益曲线 , 指导变 换器参数设计 。 迄今 , 已有多种建模方法 。 应用基波 近似法可将谐振变换器简化为一个线性电路 , 从而 可采用传统的交流分析法得到增益表达式 。 为了简 化分析过程 , 将变 换 器 分 为 如 图 2所示的开关网 络 、 谐振网络和输出网络 3个环节 。3.1开关网络建模设 f s 为初级开关管开关频率 , s 为角频 率 , U in 为变换器输入直流电压 , U r (t 为开关网络输出电压 。 实际工作中 , U r (t 是幅值为 U in 、 频率为 f s 、 占空比为 50%的方波 ,

9、由傅里叶变换可得其基波分量 U rFH (t = (2/ U in sin s t , 开关网络输出电流即谐振电流 I r (t 的波形已在图 1中给出 , 此处设 I r (t =I p sin (s t -, 为谐振网络的阻抗角 , I p 为谐振电流峰值 。开关网络的输入电流 I in 是直流电压源的输出 电流 。 在一个开关周期内 , 只有当 VQ 1导通时 , U in 才 向开关网络传送有功功率 , 因此有 :I in =2 sT s /2乙 I p sin (s t - d t =2I p cos (1经推导得出开关网络等效模型 , 如图 3所示 。3.2输出网络建模为了得到负载

10、在谐振网络中的等效阻抗 , 需先 对输出网络建模 。 由图 1b 可知 , 整流器由频率为 f s 的准正弦波电压源驱动 。 因为 VD r1和 VD r2以 50%占空比交替导通 , 所以整流器可简化成图 4所示的 形式 , 频率为 2f s 。根据输出网络的输入电压平均值与输出电压 U o 相等 , 忽略滤波电感损耗和电容损耗的情况下 , 输入功率与负载消耗的功率相等两个条件 , 可得输 出网络的等效输入阻抗 R eq =(2/8(U o /I o =(2/8 R L , 推导可得输出网络等效模型如图 5所示 。3.3谐振网络建模由图 1b 可知 , C s1, C s2在一个开关周期内以

11、 50%的占空比交替充放电 , 从谐振网络的角度来看 , 相当 于单个谐振电容以 100%占空比全程参与谐振 。 因 此可将谐振网络等效为图 6形式 。 设 n 为变压器匝 比 , C s 为次级等效电容 , 则有 C s1=C s2=n 2C s , R ac =n 2R eq , U o (t =nU s (t 。 由此可得变换器直流增益表达式为 : 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 为输出功 率 ; F =s /r -r /s , r =1

12、/r r姨 。由以上分析可得倍流整流不对称半桥 LCC 谐 振变换器的等效模型 , 如图 7所示 。在 MathCAD 软件中 , 可根据图 7绘出不同负载 下的电压增益曲线 , 如图 8所示 。 通过调整电路参 数 , 即可得到合适的增益曲线和工作频率范围 。图 3开关网络等效模型图 4简化的输出网络图 5输出网络的等效模型图 6简化的谐振网络图 7倍流整流不对称半桥 LCC 谐振变换器等效模型图 2倍流整流不对称半桥 LCC 谐振变换器模型图 8输出电压增益曲线4实验结果 为了考查倍流整流不对称半桥 LCC 谐振变换 器的工作特性 , 制作了一台以 NCP1395A 为控制器 的 12V/

13、1kW 样机 , 具体参数 :U in =360400V , 变压 器 初 级 为 14匝 , 次 级 为 2匝 , 采 用 PQ3220磁 芯 ,TP4S 材质 ; L r =58H , T26.9×14.7×11.1环形磁芯 , -2材质 ; C r =37.6nF , C s1=C s2=800nF , PHE450材质 ; 开关 管 VQ 1, VQ 2型号为 IPW60R099, 整流二极管 VD r1, VD r2型号为 IR40CPQ100。 实验波形见图 9。图 9a c 为不同负载下变换器开关管 VQ 1的驱 动电压 u gsVQ1、 漏 -源电压 u d

14、sVQ1、 正向电流 i VQ1(负向部 分为体二极管 VD 1导通时的波形 及谐振电流 i r 波 形 。 该图表明 , 在不同的负载情况下 , VQ 1均能实现ZVS 开通 ; i r 波形近似为正弦波 , 随着负载的增加 ,近似程度越高 , 并且体二极管导通时间在整个开关 周期内占的比例越来越小 , 有利于优化变换器效率 。 次级整流二极管同样实现了零电流开关 , 在此不一 一给出波形 。 由图 9d 所示变换器效率曲线可见 , 效 率随着负载加重而平缓上升 。 若采用同步整流 , 效率 将得到进一步提高 。5结 论研究了 LCC 谐振变换器在低压大电流场合应 用的可行性 。 在模态分析

15、的基础上得到了变换器的 等效模型以及直流增益表达式 , 利用 MathCAD 软件 绘制出输出电压 -频率曲线 , 并通过调整曲线的形 状 , 得到一组合适的实验参数 。 制作了一台输出为12V/1kW 样机 , 实验证明 LCC 谐振变换器应用在低压大电流场合是可行的 , 变换器在不同负载范围 内均能实现软开关 。参考文献1阮新波 , 严仰光 . 直流开关电源的软开关技术 M.北京 :科 学出版社 , 2000. 2孙向东 , 段龙 . 高压直流 LCC 谐振变换器的分 析 与 设计 J.电工技术学报 , 2002, 17(5:60-64.3钟和清 , 徐至新 . 软开关高 压 开 关 电

16、源 研 究 J.高 电 压 技 术 , 2003, 29(8:7-9.4王广州 , 师宇杰 . 串并联谐振倍压变换器高压电源的设计 与研究 J.高电压技术 , 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.图 9变换器初级主要波形及效率曲线5结 论通过引入频

17、率跟踪控制 , 使串联谐振全桥变换 器的开关频率始终工作在谐振频率处 , 实现了泥浆 发电机转子和定子侧的最大功率耦合和输出电压的 相对稳定 , 并通过实验验证了理论分析的正确性 。 但在实际电路中 , 开关管的导通电阻 、 变压器和谐振元 件的寄生电阻以及线路电阻等会引起功率的损耗以 及输出电压的下降 , 需作进一步探讨 。参考文献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