基于L6599的串并聯(lián)諧振變換器設計與實(shí)現(一)

0 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(kāi)關(guān)技術(shù)便是通過(guò)在開(kāi)關(guān)電路中引入緩沖電感和電容，利用其諧振使得開(kāi)關(guān)器件中電流或兩端電壓按正弦或準正弦規律變化，當電流自然過(guò)零時(shí)使器件關(guān)斷，當電壓下降到零時(shí)使器件開(kāi)通，即零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)和零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)[1].在開(kāi)關(guān)過(guò)渡過(guò)程中減小開(kāi)關(guān)的應力而使儲存的電磁能量增大，有利于提高變換器的開(kāi)關(guān)頻率和效率。

對中小功率直流變換器而言，采用高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)控制的半橋拓撲易于實(shí)現高頻化、減小變換器體積、進(jìn)一步提高系統效率。其中LLC型串并聯(lián)諧振變換器可實(shí)現在全電壓范圍及全負載條件下主功率管的ZVS和整流二極管的ZCS,效率較高，利于高頻化，廣泛用于中功率場(chǎng)合。

1 電路拓撲和工作原理

半橋LLC串并聯(lián)諧振變換器電路結構如圖1所示，VT1、VT2組成上下一對橋臂，C 1、C 2和VD1、VD2分別為MOS管VT1、VT2的結電容和寄生反并二極管，諧振電感L r、諧振電容C r和變壓器激磁電感L m構成諧振網(wǎng)絡(luò )，C r也起了隔直電容的作用。變壓器副邊為橋式整流，C o為輸出濾波電容。

圖1 半橋LLC型串并聯(lián)諧振變換器拓撲

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

由L r、L m和C r發(fā)生諧振時(shí)的諧振頻率為：

當變換器工作在f m f s f r頻率范圍內，用SABER軟件進(jìn)行仿真，主要波形如圖2所示，UCr是C r兩端電壓，U ds1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。

圖2 額定負載下fm

工作可分為兩個(gè)階段：

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

(2) 續流階段：ir=im原邊停止向副邊傳遞能量，L r、L m和C r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緩慢的速率下降。

通過(guò)合理設計可以使變壓器原邊MOS管零電壓開(kāi)通，副邊整流二極管在ir=im時(shí)電流降至零，實(shí)現零電流關(guān)斷，降低開(kāi)關(guān)損耗。如上所述，變換器工作在fm

2 參數設計

1)主電路參數設計

半橋LLC諧振電路是一非線(xiàn)性電路，在此先將其轉換為一線(xiàn)性電路(如圖3)，采用基波法分析。推導得變換器直流增益G dc為：

式中x為開(kāi)關(guān)頻率fs相對于諧振頻率fr的歸一化頻率;n為變壓器原副邊匝比;系數k是L r把L m歸一化的量，定義k=L m/L r;串聯(lián)諧振電路品質(zhì)因數為Q.

圖3 半橋LLC諧振的穩態(tài)等效電路

變換器能量傳遞主要由諧振網(wǎng)絡(luò )從輸入源側傳送到負載端，諧振網(wǎng)絡(luò )是整個(gè)變換器設計的重點(diǎn)。而LLC諧振變換器各參數間關(guān)系及影響較兩元件諧振變換器要復雜，需在初步確定各參數值的基礎上再進(jìn)行整體優(yōu)化。

先根據電壓增益和工作頻率選取n,n需滿(mǎn)足輕載下的最低直流增益要求。再根據式(3)在U in最大且空載(Q=0)情況下須達到要求的U o來(lái)選取k值。當n、k固定時(shí)，G dc、x和Q的關(guān)系如圖4所示。每條增益曲線(xiàn)隨著(zhù)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。對于各Q值相應的G dc曲線(xiàn)上的拐點(diǎn)，我們在此引入歸一化輸入阻抗：

其中Z n為歸一化輸入阻抗，Z in為諧振網(wǎng)絡(luò )的輸入阻抗，Z r為特征阻抗，Z r=2πfrL r.