LLC型串并聯(lián)諧振變換器參數分析與應用
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l 諧振電路
諧振網(wǎng)絡(luò )通常由多個(gè)無(wú)源電感或電容組成，由于元件個(gè)數和連接方式上的差異，常見(jiàn)實(shí)用的諧振變換器拓撲結構大致分為兩類(lèi)：一類(lèi)是負載諧振型，另一類(lèi)是開(kāi)關(guān)諧振型。負載諧振型變換器是一種較早提出的結構，注重電源電壓轉換比特性的改善，按照諧振元件的諧振方式可分為串聯(lián)諧振變換器、并聯(lián)諧振變換器以及兩者結合產(chǎn)生的串并聯(lián)諧振變換器。
1．1 串聯(lián)諧振
由于是串聯(lián)分壓方式，其直流增益總是小于1，類(lèi)似BUCK變換器；輕載時(shí)為穩住輸出電壓，必須提高開(kāi)關(guān)頻率，在輕載或空載的情況下，輸出電壓不可調，輸入電壓升高使系統的工作頻率將越來(lái)越高于諧振頻率，而諧振頻率增加，諧振腔的阻抗也隨之增加，這就是說(shuō)越來(lái)越多的能量在諧振腔內循環(huán)而不傳遞到副邊輸出；但在負載串聯(lián)諧振中，流過(guò)功率器件的電流隨著(zhù)負載變輕而減小，使通態(tài)損耗減小。
1．2 并聯(lián)諧振
輸出端可以開(kāi)路但不能短路，會(huì )損壞諧振電容，并且過(guò)大的原邊回路電流對開(kāi)關(guān)器件及電源都會(huì )產(chǎn)生沖擊；輕載時(shí)，不需通過(guò)大幅改變頻率來(lái)穩住輸出電壓，與串聯(lián)諧振相比變換器工作范圍更大，可工作至空載；當輕載時(shí)輸入電流變化不大，開(kāi)關(guān)管的通態(tài)損耗相對固定，在輕載時(shí)的效率比較低，較為適合工作于額定功率處負載相對恒定的場(chǎng)合。
1．3 串并聯(lián)諧振
輸出電壓可高于或低于電源電壓，且負載變化范圍寬，是目前研究領(lǐng)域中較主流的結構。
2 諧振參數分析
2．1 電路拓撲
圖1為L(cháng)LC型串并聯(lián)半橋諧振變換器電路，主開(kāi)關(guān)管S1和S2是固定0．5占空比互補導通，Lr、Cr與變壓器的并聯(lián)電感Lm構成LLC諧振網(wǎng)絡(luò )，整流二極管直接連接到輸出電容上。
LLC有兩個(gè)諧振諧振頻率，分別為L(cháng)m與Lr、Cr產(chǎn)生的串并聯(lián)諧振頻率
以及Lr和Cr產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率。
2．2 參數影響
LLC諧振變換器是在串聯(lián)／并聯(lián)諧振變換器的基礎上改進(jìn)而來(lái)，由于較前兩者多了一個(gè)諧振元件其設計運用也變得復雜。根據交流分析法得到LLC諧振變換器的輸入輸出特性為
2．2．1 k的影響
對于一個(gè)輸入輸出和功率一定的變換器而言，匝比n固定，如圖2(a)所示，在某一Q下，不同的k值所帶來(lái)的影響：隨著(zhù)k值的增大，最大增益在減小，在輸入電壓較低時(shí)也許達不到所要求的輸出電壓，且隨著(zhù)k值的增大，為保證所需的輸出電壓使得變換器的工作頻率范圍變寬，這不利于磁性元件的工作；但k越小則 Lm越小，Lm兩端電壓值一定，由于感值的減小其電流峰值增大，而原邊開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)流過(guò)的即為激磁電感的峰值電流，存在較大的關(guān)斷損耗，但若此關(guān)斷電流過(guò)小則會(huì )影響到零電壓開(kāi)通，故k值的選擇應擇中考慮開(kāi)關(guān)頻率的范圍、零電壓開(kāi)通及較小的關(guān)斷電流。
2．2．2 Q的影響
在確定了n和k值的情況下，Q值的大小直接關(guān)系到直流增益是否足夠大。對于特定的輸入電壓范圍Q值越小，所對應的開(kāi)關(guān)頻率范圍越小(對于 f0ffr這種工作模態(tài)而言)，這樣有助于磁性元件的工作；但對于確定了的Lm和Lr，Q越小Cr越大，諧振腔的阻抗變小，使得變換器的短路特性變差，在負載較重的時(shí)候盡量選擇較小的Cr以達到要求的輸出電壓。
3 電路分析
當開(kāi)關(guān)頻率ff0時(shí)可知諧振網(wǎng)絡(luò )呈容性狀態(tài)，不利于開(kāi)關(guān)管的ZVS開(kāi)關(guān)，就不展開(kāi)討論了，下面先以開(kāi)關(guān)頻率范圍f0ffr來(lái)分析LLC諧振電路的工作過(guò)程。
在f0ffr頻率范圍內變換器會(huì )因負載不同，其工作過(guò)程也有所不同，當電路工作在f0ffr范圍內時(shí)Lr與Cr等效成一容Ceq，整個(gè)諧振腔等效為L(cháng)m和負載并聯(lián)再與Ceq，諧振腔阻抗到底呈感性還是容性就要根據頻率和負載的輕重(Q值大小)而定。運用Saber軟件對 LLC半橋諧振變換器在進(jìn)行仿真，并進(jìn)行模態(tài)分析。變換器Vin=270V，Vo=360V，額定功率500W，其中諧振網(wǎng)絡(luò )參數如下：Lr=27．4μ，Lm=137μ，Cr=92．4n。
3．1 不同負載下的仿真與分析
3．1．1 滿(mǎn)載
滿(mǎn)載情況下的模態(tài)分析及仿真波形分別如圖3及圖4所示。
Model(t0～t1)：t0時(shí)刻S2關(guān)斷，諧振電流對C2、C1(分別為S2、S1的寄生電容)充放電，S1端電壓開(kāi)始下降，當降為零時(shí)S1的體二極管導通，為S1的ZVS創(chuàng )造條件。變壓器原邊電壓為上正下負，D1和D4導通，Lm兩端電壓被箝位為nVo，iLm線(xiàn)性上升，諧振只發(fā)生在Lr和Cr之間，Lm未參與諧振。
Mode2(t1～t2)：t1時(shí)刻ZVS開(kāi)通，諧振電流以正弦形式流經(jīng)S1。流過(guò)D1的電流為ir與iLm之差折合到副邊的值，由于T>Tr,ir經(jīng)過(guò)半個(gè)周期諧振之后S1仍開(kāi)通，當ir下降到iLm時(shí)流過(guò)D1和D4電流為零，實(shí)現了整流二極管的ZCS關(guān)斷。
Mode3(t2一t3)：D1和D4 ZCS關(guān)斷后變壓器原副邊完全脫開(kāi)，諧振網(wǎng)絡(luò )不再向副邊傳輸能量，Lm便不再被箝位于nVO,Lm與Lr、Cr一起諧振，由于Lm較Lr大得多，此時(shí)的諧振周期明顯變長(cháng)，近似認為ir保持不變。t3時(shí)刻S1關(guān)斷。
下半個(gè)周期的分析與上述過(guò)程對稱(chēng)，這里就不再詳述了。
從模態(tài)分析可見(jiàn)整個(gè)工作過(guò)程中包括了兩個(gè)諧振過(guò)程，一個(gè)是Lr和Cr的諧振，另一個(gè)則是Lm與Lr、Cr一起諧振。
3．1．2 輕載
當負載變輕時(shí)，諧振電容上的電壓變低，如果其兩端電壓降到滿(mǎn)足條件
副邊整流二極管將不會(huì )導通。從ir和iLm的波形可以看出，向副邊傳輸的能量相對較小，原邊有較大環(huán)流存在，這使得變換器在輕載時(shí)損耗較大，然而也正因為較大的環(huán)流保證了開(kāi)關(guān)管在較輕載時(shí)也能實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)，如圖5所示。
3．1．3 過(guò)載
負載過(guò)重時(shí)諧振電容兩端電壓紋波較大，當滿(mǎn)足條件
時(shí)，其工作過(guò)程較滿(mǎn)載情況下有所不同，在諧振電流ir下降到等于iLm后由于有太多的能量存儲在諧振電容上，較高的VCr會(huì )使整流二極管導通，進(jìn)入另一個(gè)諧振過(guò)程。從圖6(a)的ir和iLm波形可見(jiàn)這個(gè)諧振過(guò)程開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷電流(即為ir的一部分)很小，小于iLm，會(huì )使另一MOS管的開(kāi)通失去零電壓開(kāi)通的條件，如圖6(b)所示，諧振回路呈容性。
從上面的仿真分析可知，當頻率一定時(shí)負載越重橋臂中點(diǎn)間阻抗越易呈容性，負載越輕則易呈感性，更有利于開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)。
3．2 與f>fr時(shí)的比較
在開(kāi)關(guān)頻率f0ffr的條件下諧振網(wǎng)絡(luò )呈感性，有助于開(kāi)關(guān)管的ZVS開(kāi)通，且在此頻率范圍內副邊整流二極管的電流斷續，從而實(shí)現了整流二極管的零電流關(guān)斷，消除了反向恢復產(chǎn)生的損耗。
而f>fr時(shí)的不同就在于由于f>fr在S2開(kāi)通期間Lr和Cr諧振，諧振電流ir大于激磁電流iLm，S1關(guān)斷ir對C1、C2充放電 ir下降，當S2ZVS開(kāi)通后ir迅速下降，下降到ir=iLm沒(méi)有能量傳送到副邊，此時(shí)副邊整流二極管完成換流，開(kāi)始了另半個(gè)周期對稱(chēng)的工作過(guò)程，可見(jiàn) Lm一直未參與諧振，更像是普通諧振，同時(shí)整流二極管上電流連續，換流時(shí)會(huì )由于反向恢復帶來(lái)?yè)p耗。
4 實(shí)驗結果與波形
在上述理論分析的基礎上構建了一個(gè)270V輸入，360V輸出，300W的LLC諧振半橋變換器，主開(kāi)關(guān)管選用IRF460，副邊整流二極管選用 DSEll2—12A，變壓器原副邊匝比n=0．342，諧振網(wǎng)絡(luò )參數為L(cháng)r=27．4μH，Lm=137μH，Cr=92nF。如圖7所示，VAB為橋臂中點(diǎn)電壓，ir為諧振回路電流的實(shí)驗波形圖。圖8和圖9分別是滿(mǎn)載與輕載時(shí)上、下兩個(gè)MOS管的vgs和vds波形，從實(shí)驗中也可以看出即使在較輕負載的情況下仍然能滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通的條件，LLC諧振變換器能在寬范圍內實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)，在300W時(shí)其變換效率可達95％以上。
本文對LLC型串并聯(lián)諧振半橋變換器在f0ffr頻率范圍內的工作情況作了詳細分析，并對三種主要負載情況進(jìn)行了仿真分析，并針對設計中的幾個(gè)主要參數及其對變換器設計與應用產(chǎn)生的影響做了敘述，最后給出了實(shí)驗結果。
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