淺析寬電壓輸入半橋型LLC諧振變換器設計與實(shí)驗
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半橋型LLC諧振變換器由于拓撲簡(jiǎn)單、工作效率高而得到廣泛研究。此處針對寬電壓輸入的工作情況，采用脈沖頻率調制(PFM)，避免了傳統PWM控制占空比變化范圍大的問(wèn)題。為了提升變換器效率，對各關(guān)鍵諧振參數進(jìn)行設計，分析了其對電源輸出特性的影響，使得初級開(kāi)關(guān)管實(shí)現零電壓開(kāi)通(ZVS)，次級二極管實(shí)現零電流關(guān)斷(ZCS)。結合理論數學(xué)推導和增益曲線(xiàn)分析，設計了一臺100 W的變頻半橋型LLC諧振變換器樣機，并完成了相關(guān)實(shí)驗，驗證了參數設計的正確性，樣機的最大效率達到93．95％。同時(shí)對變換器進(jìn)行了損耗分析，以便進(jìn)一步優(yōu)化設計。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/227155.htm1 引言
半橋型DC／DC變換器廣泛用于中小功率場(chǎng)合。通過(guò)增大開(kāi)關(guān)頻率，可有效減小電源體積和重量，但會(huì )增加開(kāi)關(guān)管損耗，影響電源電能質(zhì)量及工作效率。在所有工作條件下實(shí)現軟開(kāi)關(guān)可很好地解決上述問(wèn)題。相比傳統諧振變換器，變頻LLC型諧振變換器由于特殊工作性能可在寬電壓輸入范圍內方便地穩定電壓或電流。其結構簡(jiǎn)單，控制方便，寄生元件亦可參與諧振過(guò)程。初級開(kāi)關(guān)管可方便地實(shí)現ZVS，關(guān)斷電流??；次級整流二極管可實(shí)現ZCS，消除反向恢復時(shí)二極管損耗和振蕩。在控制方法上采用PFM，開(kāi)關(guān)管占空比保持在0．5，解決了寬電壓輸入情況下占空比變化大的問(wèn)題，使得開(kāi)關(guān)頻率增加，從而進(jìn)一步減小了變換器的體積和重量。
此處分析了變頻半橋型LLC諧振變換器的工作原理和軟開(kāi)關(guān)特性，分析了參數設計對變換器性能的影響，以此為基礎完成了電路參數的優(yōu)化設計，并通過(guò)實(shí)驗驗證了變換器設計的正確性。測試了電路的效率并完成了相應的損耗分析。
2 LLC諧振變換器特點(diǎn)和參數分析
2．1 LLC諧振變換器拓撲
圖1示出半橋型LLC諧振變換器結構。LLC諧振變換器存在兩個(gè)諧振頻率：Lr和Cr的諧振頻率
，Lr，Cr和Lm共同發(fā)生諧振頻率
通過(guò)仿真可知，當諧振變換器工作頻率處于fm
圖2示出半橋型LLC諧振變換器等效電路。當次級采用半波整流電路時(shí)，折算到初級的等效電阻Re=8n2RL／π2，n為變壓器匝比。由文獻推導可知uab和ucd交流基波電壓eab和ecd的增益為：
為便于對電路性能分析，將式(1)中一些參數進(jìn)行定義。Lm／Lr定義為諧振電感系數K，反映了電路中電感參數的性質(zhì)。
定義為品質(zhì)因數Q，反映了串聯(lián)諧振元件和負載的相互特性。由以上分析可得直流增益為：
由式(2)可知，Gdc與K，n，Q及開(kāi)關(guān)頻率有著(zhù)密切關(guān)系。正確地選擇參數方能保證變換器滿(mǎn)足一定的性能指標。
2．2 參數分析
在n=6，fr=200 kHz，Q=0．4時(shí)，當K較小時(shí)，fm較大，最大Gdc較高；當K增大時(shí)，fm隨之減小，最大Gdc降低。fr不受K變化的影響。若K值選擇過(guò)大，可能導致不能達到最大Gdc的要求；若K值選擇過(guò)小，則Lm較小，通過(guò)Lm的電流峰值會(huì )相應增大以維持電壓不變，增大的電流會(huì )使電感銅損增大從而降低變換器效率。選擇K時(shí)需折中考慮。
在n=6，fr=200 kHz，K=3時(shí)，fr不隨Q的變化而變化，而fm則受到Q的影響。Q越小，fm越小，變頻器工作頻率范圍將會(huì )變寬，不利于磁性元件的工作；Q越大，fm越大，而Gdc變小，在輸入電壓較低時(shí)無(wú)法達到需要的輸出值。在K=3，fr=200 kHz，Q=0．4時(shí)，n不影響fm的大小變化，不影響Gdc變化范圍。n越大，Gdc越大。需合理設計n，使其滿(mǎn)足變換器的直流增益要求。
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