论LLC串联谐振变流器的设计接上文电路拓扑半桥LLC串并联

1、论 LLC串联谐振变流器的设计（3）接上文电路拓扑半桥 LLC 串并联谐振变换器电路结构如图1 所示， VT1 、VT2组成上下一对桥臂， C 1 、C 2 和 VD1 、VD2 分别为 MOS 管 VT1 、VT2 的结电容和寄生反并二极管，谐振电感 L r 、谐振电容 C r 和变压器激磁电感 L m 构成谐振网络， C r 也起了隔直电容的作用。变压器副边为桥式整流， C o 为输出滤波电容。图 1 半桥 LLC 型串并联谐振变换器拓扑上文用普通的复数运算推导了谐振网络、理想变压器及低通滤波器和负载电阻的阻抗，并从中得出了系统的四个谐振频率如下。全系统谐振角频率1，- 1系统 1系统 2

2、L rCrL rCr变压器及电阻负载 RL ，低通滤波电容 Co 组成的振荡网络的谐振角频率n，- n变压器1变压器2L m CoL m Co其中 n 为变压器的变比。角频率中出现虚数是表示它的振荡性。这里稍微啰嗦几句， 在机械振动中， 当激振力的频率与振动系统的固有频率相等时， 振动系统将产生共振， 而这个共振使振幅趋于无穷大，所以，在机械振动中共振是要避免地，因为搞不好就会造成机毁人亡。学机械的对共振有一种恐惧，以致对电磁振荡也有恐惧，因为电磁系统工作在系统固有频率时即谐振时， 振荡产生的电压也会出现极大值， 使系统元件上产生极大的电压应力， 也会造成系统的崩溃。但是从物理上讲，共振和谐振

3、本质上是不一样的。共振使振幅趋于无穷大，不可控，只有避开；而谐振时，串联谐振电路仅是电流达到最大值，元件电压也达到极大值， 但是这两个极大值都是可以通过调整串联谐振电路的负载来加以调整的，是可控的。而且，在谐振时，串联谐振电路是处于纯电阻状态，其输入电压和电流是同相的，功率因数等于 1 ，即串联谐振电路能将电感负载转换成电阻负载，这是谐振的最大优点。从物理上解释本文讨论的拓扑结构的四个固有频率， 是两对共轭频率，一对是大系统的串联谐振固有频率， 另一对是变压器及负载的并联谐振频率； 频率的共轭正是二阶振荡电路的特点， 说明两个振荡系统都是欠阻尼振荡系统。 从本质上讲， 变压器及负载作为一个子系

4、统，是作为大系统 LrRr Cr 串联系统中的 Rr 成分和谐振电感 Lr 的电阻r 串联在一起的。由于变压器及负载只是大系统的阻抗成分，而 Lr RrCr串联系统中， Rr 并不影响系统的谐振频率， 所以大系统的谐振角频率就是 LrCr 乘积开平方的倒数。当然从理论上是可以将两个系统的频率调整到相等的， 此时系统的阻抗是纯电阻性的，也是形式上最简单的，最容易计算，此种情况应该也是一种形式上的“共振”，但未见可怕，具体实践中未见实例。因此，从本拓扑本质上讲LLC 串联谐振电路就是LRC 串联谐振电路。说句题外话，如果变压器的负载中没有低通滤波器Co，结果是不一样的。由于有了Co ，变压器与负载

5、紧密地耦合在一起，变成一个子系统，要想解耦，把它们变成分离的LRC ，还真不容易，也使问题的解答复杂化。LRC 串联谐振变流器的最大缺点是负载不好匹配，本拓扑将变压器及负载变成LRC 串联谐振变流器的子负载，解决了负载的匹配问题，而且负载的变化并不影响系统的固有频率。将电感负载Lr 变成变压器 Lm 及负载，克服了 LRC 串联谐振变流器中L 负载变化对系统固有频率的影响，电感Lr 只起谐振作用。在实践中，为了储存能量和减小输出直流的纹波，以及掉电储备，低通滤波器 Co 一般比较大，但是从变压器副边反射到原边后减小了n2 倍；变压器原边的电感Lm 一般是 Lr 的 46 倍，如果系统工作频率及

6、固有频率都非常高， 那么变压器及负载的并联谐振固有频率要比系统的固有频率低得多。 因此，一般只选择系统工作在大系统的工作频率附近（附近，而不是相等，在控制问题中讨论，在理论上可以就在固有频率点），此时，负载难于计算，需要计算机数值计算。LRC 串联谐振变流器如果电感本身就是负载，而电感的电阻一般很小，以致谐振槽路的品质因数Q 很高，开关和元器件上的电压会非常高，系统会很危险。要降低Q 值，要么减小电感值，这会改变系统频率；要么增大电阻，这又会增大损耗，特别是在大电流情况下，损耗令人难于接受。如果电感改为变压器，将能量传递到副边，那么由于负载的变化， 由副边反射的感抗变化又致原边的电感发生变化，以致系统的基本参数固有频率随负载而变化，这在系统控制中是非常糟糕的变数。本拓扑的 LLC 谐振变流器使变压器及负载变成一个子系统，这个子系统只是 LRC 大系统的负载的一部分，负载的变化并不影响系统的基本参数，系统稳定；而负载从副边反射到原边，其阻值由R升为 n 2 R，子系统的动态电阻使系统的Q 值受到控制，令 LRC 串联谐振变流器的设计和应用都更上一层楼。本文属于拍砖之作。本人所学专业为机械设计，电路分析只是30 年前的非专业基础课，仅知皮毛，近来闲来无事，吃饱饭撑得难受，因而接触了一下 LLC 串联谐振变流器，很多资料看不懂，与实践也不相符。只有自己动