高电压大功率输出的LLC谐振变换器的设计

1、 电工电气 (2012 No.8作者简介：赵慧超(1986- ，男，硕士研究生，研究方向为电力电子及电力系统继电保护。高电压大功率输出的LLC 谐振变换器的设计赵慧超，颜湘武，刘红昌，张青利(华北电力大学，河北 保定 071000摘 要：设计了一种用于DC/DC变换的LLC 谐振变换器，介绍了其软开关特性及工作原理，分析了它的等效电路模型。基于高效率、高功率密度的要求，通过研究各参数对电路运行性能所造成的影响，给出最优化的参数以满足变换器的设计要求，通过对半桥LLC 谐振变换器建模仿真，实现5kW、580V/400V 的DC/DC变换。实验结果表明，设计的LLC 谐振变换器工作良好，满足了高效

2、率、低电磁干扰等要求。关键词：LLC 谐振变换器；高电压大功率输出；零电压开关中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(201208-0010-04Abstract: A kind of LLC resonant converter was designed to be used for DC/DC conversion. Introduction was made to its soft switch characteristics and working principle and analysis was made to its equivalent circu

3、it model. Based on the requirements of high-ef cien-cy and high-power density, via study on impacts of each parameter on circuit operation, this paper gave the most optimistic parameters to meet design requirements of converters. Via modeling simulation of half-bridge LLC resonant converter, DC/DC c

4、onversion of 5kW, 580V/400V was realized. Experimental result shows that the designed LLC resonant converter is ne in working, meeting high ef -ciency, low electrical interference etc requirements.Key words: LLC resonant converter; high-voltage high-power output; zero-voltage switchZHAO Hui-chao, YA

5、N Xiang-wu, LIU Hong-chang, ZHANG Qing-li（North China Electric Power University, Baoding 071000, China）Design of LLC Resonant Converter for High-Voltage High-Power Output随着电源装置向小型化、轻量化方向发展，电源的开关频率逐渐高频化，但在传统硬开关方式下将使开关损耗增加，影响效率。软开关技术的出现则在一定程度上缓解了这种矛盾。软开关技术通过引入谐振，在开关管导通或关断前后，使电压和电流产生一定的相位差，从而降低开关损耗和噪声。

6、LLC 谐振变换器即属于软开关变换器中的一种。近年来，L L C 谐振变换器以其结构简单、效率高、功率密度大等诸多优点在通信电源领域备受关注。有关L L C 半桥谐振变换器参数设计方法的研究很多1-2，但主要是依靠工程经验对参数进行设计，精确设计该变换器的参数及各参数之间的配合是实现变换器可靠运行，确保软开关及低损耗的前提。鉴于L L C 谐振变换器高效率的特点，在将它用于大功率DC/DC变换时也应可以得到较好的效率。首先分析了L L C 半桥谐振变换器的软开关特性和工作原理，然后介绍L L C 谐振变换器的等效模型和一种L L C 半桥谐振变换器的设计方法，最后根据设计的参数建模仿真。1 L

7、LC 谐振变换器的基本原理半桥LLC 谐振变换器的主电路结构如图1所示。LLC 谐振变换器一般包括三部分：方波产生电路、谐振网络和输出电路3。图1 半桥LLC 谐振变换器的主电路结构Q 1Q 2D Q 1D Q 2C Q 1C Q 2L C sL mV in 方波产生电路可以是半桥或全桥结构(一般根高电压大功率输出的LLC谐振变换器的设计11电工电气 (2012 No.8据功率需求选择。通过高低端开关管的交替导通，将直流输入转换为方波。当然，为防止它们同时导通，L L C 谐振控制器普遍会在高低端开关管的驱动信号之间插入固定或可调的死区时间。L L C 谐振变换器的谐振网络由三个谐振原件构成，

8、分别为谐振电容C s ，谐振电感L s 和激磁电感L m 。从图中可以看出，电路由以下元件构成：两个功率MOSFET Q1、Q2，Q1和Q2的占空比都是0.5，采用固定死区的互补调频控制方式来进行控制。图中分别给出了Q1和Q2的半导体二极管和寄生电容、谐振电容C s 、理想变压器、并联谐振电感L m 、串联谐振电感L s 、全桥整流二极管(D1、D2、D3、D4、输出电容C 0和负载R 0。方波馈入谐振网络后，电流波形和电压波形将产生相位差。开关损耗为流过开关管的电流与其源漏极两端的电压乘积。由于Q 1、Q2在电流流过半导体二极管时开启，开启电压很低，所以损耗很小。LLC 谐振变换器电路有两个

9、谐振频率，一个是谐振电感L s 和谐振电容C s 的谐振频率，一个是L m 加上L s 与C s 的谐振频率。即：f r1为C s 与L s 的谐振频率，f r2为C s 、L s 和L m 的谐振频率，显然f r1f r2。从开关频率f S 与谐振频率的关系来看，LLC 的工作状态分为f S =f r1、f r2f S f r1、f S f r1三种工作区域。当谐振变换器开关频率f S 等于f r1时，原边开关管Q 1和Q 2实现零电压开通(ZVS，副边整流二极管实现零电流(ZCS自然关断，并且工作在电流连续状态；当谐振变换器的开关频率f S 工作在f r1和f r2之间时，励磁电感L m

10、参与谐振，原边开关管Q 1和Q 2实现零电压开通(ZVS，副边整流二极管实现零电流(ZCS自然关断，并且工作在电流断续状态，当工作频率偏离谐振频率f r1并下降时，激磁环路电流相对增加；当谐振变换器工作在高于f r1的开关频率时，励磁电感L m 被输出电压钳位，不参与谐振，开关管Q 1、Q2实现了零电压(ZVS开通，激磁环路电流相对较小，但副边整流二极管不能实现零电流(ZCS自然关断。对不同负载产生的不同功率需求，变换器的开关频率也将不同；负载越轻，开关频率越高。当开关频率约等于谐振频率f r1时，LLC 变换器的特性几乎与负载无关，增益仅由变压器匝数比决定。半桥LLC 的软开关特性体现为：(

11、1主开关管零电压开通。当Q 2关断，流过谐振电感的电流i s 经Q 1的半导体二极管放电，为Q 1的零电压开通做好准备；(2整流二极管零电流关断/导通。当i s 振荡到与激磁电感电流i m 相等时，D1和D 4因电流下降至零，自然关断。当C s 、L s 和L m 共同谐振时，变压器初级停止向次级传递能量，负载由输出电容C 0供电，直到Q 1关断，电流通过Q 2的半导体二极管放电，为Q 2实现零电压开通做准备，然后D 2和D 3导通，能量传递再次建立，同时实现二极管零电流导通。2 半桥LLC 谐振变换器的等效模型谐振网络的滤波作用可以采用基波近似原理，获得谐振变换器的电压增益，这需要假定方波电

12、压的基波分量输入到谐振网络，并传输电能至输出端，因为次级整流电路表现为阻抗变换器，等效负载电阻不同于实际负载电阻。开关管Q 1和Q 2互补导通，在Q 1和Q 2的中点形成一个幅值为V dc 的方波，经过傅里叶分解，可以得到它的基波为：其有效值为：由于变压器副边绕组的电流为正弦波，对于全桥整流电路，如图2所示。设负载阻抗为R L ，变压器副边等效负载阻抗为R oac ，则：f r1=1s s2(1f r2=1s m s2(2V iFHA (t dcsin(2f S t 2(3V iFHA (t dc(4I ac I o(5E ac E o(6图2 全桥整流电路 LoI acI 高电压大功率输出的

13、LLC谐振变换器的设计 电工电气 (2012 No.8LLC 谐振的等效电路如图3所示。经变压器变换后的变压器原边交流等效负载为R ac 4-5，则：得到输入输出的等效后，可以计算谐振槽路的增益。其中，k 为系数，定义为k =L m /L s ；Q 为品质因数，且Q =s s R a c ；f n 为归一化频率，定义为f n =f S /f r1，即开关频率f S 与谐振频率f r1的比值。3 LLC 谐振变换器的设计LLC 谐振变换器设计的主要侧重点是谐振网络的设计，其中的三个参数对谐振变换器的性能有重要影响：变压器匝数比n ，谐振电路品质因数Q 和系数k 。其中：这三个参数对变换器的效率、

14、循环能量和稳压输出所需频率范围等都有影响。Q 值越高，稳压所需的开关频率范围就越大，但Q 值过低又可能导致变换器稳压能力下降。k 值决定励磁电感中存储能量的大小，k 值太小将影响变压器绕组间的耦合，一般取5106。半桥LLC 谐振变换器参数设计要求如下：(1输入电压为直流480580V ；(2输出电压为直流400V，输出电流为012.5A ；(3额定输出功率为5kW。3.1 变压器变比的设计当开关频率工作在谐振点时，谐振变换器的直流增益为1，并且与负载无关。为使变换器工作在f r2和f r1之间，通常将最高输入电压时工作频率固定在串联谐振频率上，此时增益最小，且直流增益M =1，所以：解得n

15、=0.725。3.2 直流增益M 的计算当输入电压最小时增益最大，所以最大增益：所以最大直流增益：考虑M 需要15%裕量，所以峰值增益：M =M max ×1.15=1.38 (153.3 副边等效阻抗的计算选择k =4，查品质因数Q 与峰值增益的特性曲线，得到品质因数Q =0.43，所以：3.4 谐振电容、谐振电感和激磁电感的计算f r1取35kHz，则：4 仿真结果及分析根据以上设计原理和设计参数，采用PSPICE软件建模仿真，得到的输出电压V o 的波形如图4所示。图3 LLC 谐振的等效电路(8R ac =n 2R oac R L8n 2M (f n , k , Q nV O

16、FHAiFHA12+Q 2(f n 2k kf n f n(9(10Q =1R ac s sk = Lms(11G dc(min=V o in(max12400580(12G dc(minMmaxV o in(min12(13M max n V o in(min400480(14(16R ac 8n 2R L 28×0.7252×40023.14×5×108n 2V 2o 2P o C s nF12Qf r1R ac (17L s H 14f r1C s(18L m =k ×L s =106.8H(19ac图4 输出电压V o 的波形图1000

17、800t /msV o /V400100200700600500400300200300谐振电流为正弦波，谐振电流I L s 和激磁电流I L m 的波形如图5所示。高电压大功率输出的LLC谐振变换器的设计(7R oac R LE ac ac 82E o o 8213电工电气 (2012 No.8到设计要求。5 结语介绍了LLC 谐振变换器的工作原理，分析了等效电路模型及其关键参数对性能的影响，且给出了一种参数设计方法。通过仿真结果可看到，LLC 谐振变换器很好地工作在软开关状态，实现了原边的零电压开关(ZVS和副边的零电流开关(ZCS，减小了损耗，提高了效率，还可做到减少电磁干扰的效果。参考

18、文献1 欧阳茜，吴国良，钱照明.LLC谐振全桥DC/DC变流器的优化设计J.电力电子技术，2007，41(1：15-19. 2 Yang Bo，Lee Fred C.Topology Investigation forFront End DC/DC Power Conversion for Distrbuted Power SystemD.Virginia：Virginia Polytechnic Institute and State University,2003.3 Hang-Seok Choi. Design Consideration of HalfBridge LLC Resonant ConverterJ.Journal of Power Electronics, 2007，7(1：13-20.4 马皓，祁丰.一种改进的LLC 变换器谐振网络参数设计方法J.中国电机工程学报，2008，28(33：6-11. 5 宫力.LL C串联谐振全桥DC/DC变换器的研究D.武汉：华中科技大学，2006.6 朱立泓.LL C谐振变换器的设计D.杭州：浙江大学，2006.收稿日期：2012-06-19图6 副边整流二极管I D1和I D4的波形299.100299.14