半桥LLC谐振变换器设计与仿真(南京航空航天大学)_.

1、1谐振变换器技术半桥LLC谐振变换器设计与仿真石祥花2010-10-26南该航空航夭大学minc. rviMTY(9 AiMMnifr时，开关管Q-ZVS：，轻载时，fs耍变化彳从大才能保 证输出电压不变；Vin增人时,fs增人便输出电压 保持不变。此时谐振腔的阻抗也堆人，则 谐振腔内有很高的能量在循环, 而并没冇把这些能量供给负载， 并H.使半导体器件的应力増人。因此，串联谐振变换器存在一些不利因素：轻载调整 率高、高的谐振能最、高输入电圧时较人的关断电流。MieNC. rMMMTY (V AMDHMmi 11.2 PRC （并联谐振电路）Dr2MieNC. rMMMTY (V AMDHMm

2、i 1DC Characteristic of PRC10860.50 70.9 hl 113f$/fr 1在轻载时，频率变化不人即可0PRC的直流特性曲线根据其直流特性町知： fsfr时，实现软开关； 轻载时，fs并不雯变化很 大來维持输出电压不变： Vin增大时，fs增大來维持输出电压不变。；此时谐振腔内循环的能裳 依然很大，即使足在轻载的 条件下，山J：负载与电容并 联，仍然有一个比较小的串 联阻抗。与SRC相比，PRC优点： 保证输山电压不变。PRC的缺点：高的谐振能量、高输入也世叮公凱也顶鉉艇 人会引起较人的关断损耗。八仏航空机入大与、7 1J 1 JMMNGfBMMYY(VAfJO

3、HWlICIMl)ATOi1.3SPRC (串并联谐振电路)串并联谐振电路仃两种形式OLCC形式rwmwrr v avummfih i moArmrame 粧 c对于LCC电路，存在两个谐振频率:H 2兀应7f1r2 2 也 d显然，fr2frl o由直流特性曲线可知： 当fr2fsfrl,这样低频谐振点没有利用。从这个方案可以看出，可以利用双谐振网络来实现 ZVS,如果将LCC的直流特性左右翻转，那么低频谐振点 就可以利用上。因此，岀现了特性较好的谐振变换器LLC 结构。rwmiwrr c v mumustik iCMP JAprpPrwugrQAniRrLLC形式rwmiwrr c v m

4、umustik i 4DAmenv、对J：LLC电路，存在两个谐振频率:fr2 2兀&乙+ Q“)G显然,frlfr2o由直流特性曲线可知: lfsf2时，MOSFET匸作在ZVS区域，对于MOSFET而 肓，ZVS模式下开关损耗较ZCS模式要小： 在轻载时，LLC谐振变换器的开关频率变化很小，即使在 空载时它也具备零电压开关能力。2LLC变换器的工作原理2.1 LLC变换器的模态分析DC CMractemlK of LLC Reeorurt Conwtet06 08 1通常将LLC谐振变换器设计工作在区域1和2,1：:根据LLC谐振变换器的直流增益特性可以将其分为三个工作区域。作区域3是ZC

5、S 1 ：作区。对 于MOSFET而言，ZVS模式 的开关损耗比ZCS模式的开 关损耗要小。Z R% C rArOrQ2 J(Ir从左向右为正)L2.1.1工作区域2(fr2ffr1)模态1J Ml:(tOttl)10时刻，Q2恰好关断，谐振电流 lr R% C rArOr工作区域2模态1 QfV-T A)S|pRkJMl:(tOt hmvik i mDArmtMm、 M2:(tltt2)10t时段，Q1已经ON。谐振电 流lr从0幵始以近似1H弦规律增人 ,副边DR1依然导通，副边电压 即为输出电压,那么原边电压是 恒疋值(np*Vo/ns),那么电流 Ilm线性上升。 M2:(tlt hm

6、vik i mDArmtMm、工作区域2模态3 M3:(t2tCr-Lr- Lm形成回路，电流在减小；(2) 由电磁感应定律知，同名端为，副边DR2导 通，此时副边电压为Vo,原边电压为-(np*Vo/ns);电感Lm上的电流线性下降到0之前，将Q2开通， 即实现了ZVS开通。而Ir的电流已正弦规律下降( 这时是Lr与Cr谐振)。(4)然后同样的，达到，进入Lr+Lm与C谐振阶段， 直到Q2关断，那么将进入下一个周期。南赤Q施夭大学2.1.2 I作区域1 (ffr1 ) 模态1 Ml(tOvtvtl)【0时刻，Q2恰好关断，此时Lr的 电流IrvO (从左向右记为正)。Ir 流经D1,为Q1Z

7、VS开通创造条件 ,并且斤以正眩规律减小到0。II南赤Q施夭大学2.1.2 I作区域1 (ffr1 ) 模态1n Ml(tOvtvtl)-由电磁感应定律知,副边DR1 I. 导通，副边电压即为输出电斥Vo ,贝lj原边电压即为(np*Vb/np), Lni上电压为定值，Ilm线性上升 到()，此时Lr与Cr谐振。在这段时 间里Q1开通。模态2S3|fpR-?WWv M2 (tltIlm ,在Q1关断时，副边二极管 依然导通,Ins依然冇电流，同 时斤的存在，为Q2的ZVS开通 创造了条件。南求 M 航夬大眷mmc. rwmnfrr cv MJiMmui工作区域1模态3下半个周期与上半个周期类似

8、。(1) 在(2时刻，Q1关断，Ir电流流经D2,在这个 过程中Q2开通，实现了ZVS开通，并且强制 IrIlm:(2) Ilm电流开始减小，由电磁感应定律知，同名 端为，副边DR2导通，原边Lm电压恒定,其电流线性减小，直至Q2关断。AenPower ScitediCeniBr工作区域1总结rwvWTY cv AiJiMnsnu i mDArmrarn总之，当ftTl时，依然有ZVS开通的特点，但 是整个工作过程中，激磁电感Lm没有参与过谐振 ,都是L与Cr的串联谐振，所以认为这种工作模式 与串联谐振类似，具备了串联谐振的优缺点。MOSFET关断电流为I的电流，较大，这样开 关损耗也大；并且

9、，副边整流二极管没有ZCS关断 ,存在反向恢复问题，同时存在损耗。比工作区域 2的效率要低。rwvWTY cv AiJiMnsnu i2.1.3 工作区域3 (ffr2)AeroPwer ScMech Center区域3是MOSFET的ZCS工作区，因为在 fvfr2时，谐振腔阻抗呈容性，电压滞后于电流 o在谐振变换器中，一般不设计在这个区域， 所以这里将不详细讲解。ActoPombt Scrtedi CenterrwmivTY cv mjimwii i moArmranv2.2 LLC变换器的直流特性分析2.2.1 LLC变换器直流增益特性 LLC的谐振网络可以等效 如下图。中Req为折算到

10、原边的负载，其值为:该网络的品质因数为:rwmivTY cv mamwii i moArmranv首先计算该网络的传递函数:C _ （皿,）兀5如_r（丿也）心+ -+问=-心&- co2LrCr coLrCr jQcOyjLtCr - -y-)- jQejLC + -y2-其中。讼且訂土総r南赤航空氛夭犬学* MMNC. rMWMTYCV AfUMIVIK% PwarSd4Bdi Center进行归一化计算：令k=Lr/Lnhfn=f/fr,带 入G（jw）化简得：fn5 心= -ff；(jQfn +kXjQfE- l* + jQS因此LLC谐振变换器的输入输出直流特性记为：Ma.：0） 曲

11、（入 =伙=I严” 厂“ （1+1 严）2（-石）2総fj南赤航空氛夭犬学* MMNC. rMWMTYCV AfUMIVIK% D AO*002$05其增益特像曲线为:OC Charetrttic oWTY(* ai awm i mo rm ram、2.2.2 k=Lr/Lm对直流增益特性的影响不同k值下的立流增益曲线如下图，图中，横坐标为fn,纵W标为增益M。 档k增大时，在一定的 电压范|韦|内为了达到要 求的输出电压,LLC变换 器的工作频率范围加宽 ,这对磁性元件的工作 不利：不同k值下的立流增益曲线如下图，图中，横朋标为fn, 纵坐标为增益M。 当k减小，即Lm的值减小 时，由于输出

12、电压一定，那 么在电感Lm上的电压是一 个定值，山Lm(di/dt)=u得， 电流的峰值变人。而原边开 关管关断时的电流即为激磁 电流，那么会使关断损耗较 人：但是峰值电流过小，可 能会影响零电爪的开通。I大1此，在选择k值时丿应折中考虑。rwvWTY(* ai awm i mo rm ram、2.1.3 Q对直流增益特性的影响AeroPwBT ScMecii Center图中，横坐标为fn,不同Q值下的直流增益曲线如下图, 纵坐标为增益M。对丁给定的谐振变 换器，在n和k选定肩， 当Q值越人.其工作频 率的变化范也就越窄( 在fr2ffrl的匸作模式 下)，这样有助于磁性 元件的工作。* *

13、rwmiWTY(9 MJiMmui mDArmranv3 Saber仿真结果分析3.1电路参数根据LLC谐振变换器的工作原理的分析.我们在实际应用中 通常使其工作在区域2 (frlffr2)。用Saber仿真时电路的参数 如下：输入电压V in=400V：输出电压Vo=24V：输岀功率Po=3(X)W；Lr=68uH：Cr=46nF；Lrn=4O8uH； 匝比n=&3：Cf=600uF：负载电阻R=2Q； 开关频率fs=9()KHZo南垃Q氛夭大字rMrmiwTY(9 aiji mvuhScHecii Center3.2仿真波形3.2.1 f=frl的工作波形电压波形的电压社压V。：穴C)伍 9SOOC R g ?aJMA) I*66, 3K?600 fr1的工作波形AeroPcyver Sotech CenterN电压i.a i m*i*i h* r Poer ScHedi Center4总结与工作规划4.1