1、半橋半橋LLC諧振變換器設計與仿真諧振變換器設計與仿真石祥花2010-10-261 諧振變換器技術諧振變換器技術2 LLC變換器的工作原理3 Saber仿真結果分析1 諧振變換器技術諧振變換器技術 諧振變換器之所以得到重視和研究，是因為在諧振時電流或電壓周期性過零，利用這一點實現軟開關，可以降低開關損耗，提高功率變換器的效率。 諧振功率變化器有以下三種：SRC（Series Resonance Circuit）、PRC（Parallel Resonance Circuit）、SPRC（Series-Parallel Resonance Circuit，又稱LLC）。1.1 SRC（串聯諧振電路

2、） 電路中電感與電容串聯，形成一個串聯諧振腔。這個諧振腔的阻抗與負載串聯，則由于其串聯分壓作用，增益總是小于1。諧振腔的阻抗與頻率有關，在其諧振頻率fr下阻抗最小，此時的增益也最大。SRC的直流特性曲線根據電路的直流特性可知： fsfr時,開關管 Q-ZVS； 輕載時，fs要變化很大才能保證輸出電壓不變; Vin增大時,fs增大使輸出電壓保持不變。 此時諧振腔的阻抗也增大，則諧振腔內有很高的能量在循環，而并沒有把這些能量供給負載，并且使半導體器件的應力增大。 因此，串聯諧振變換器存在一些不利因素：輕載調整率高、高的諧振能量、高輸入電壓時較大的關斷電流。1.2 PRC（并聯諧振電路）PRC的直流

3、特性曲線根據其直流特性可知： fsfr時，實現軟開關； 輕載時，fs并不要變化很大來維持輸出電壓不變； Vin增大時，fs增大來維持輸出電壓不變。 此時諧振腔內循環的能量依然很大，即使是在輕載的條件下，由于負載與電容并聯，仍然有一個比較小的串聯阻抗。 與SRC相比，PRC優點：在輕載時，頻率變化不大即可保證輸出電壓不變。 PRC的缺點：高的諧振能量、高輸入電壓時關斷電流較大會引起較大的關斷損耗。1.3 SPRC（串并聯諧振電路）串并聯諧振電路有兩種形式。LCC形式對于LCC電路，存在兩個諧振頻率：顯然，fr2fr1。由直流特性曲線可知： 當fr2fsfr1，這樣低頻諧振點沒有利用。 從這個方案

4、可以看出，可以利用雙諧振網絡來實現ZVS，如果將LCC的直流特性左右翻轉，那么低頻諧振點就可以利用上。因此，出現了特性較好的諧振變換器LLC結構。）prsrrrsrrrCCLfCLf/(212121LLC形式對于LLC電路，存在兩個諧振頻率：顯然，fr1fr2。由直流特性曲線可知： 當fsfr2時，MOSFET工作在ZVS區域，對于MOSFET而言，ZVS模式下開關損耗較ZCS模式要小； 在輕載時，LLC諧振變換器的開關頻率變化很小，即使在空載時它也具備零電壓開關能力。rmrrrrrCLLfCLf)212121（2 LLC變換器的工作原理2.1 LLC變換器的模態分析 根據LLC諧振變換器的直

5、流增益特性可以將其分為三個工作區域。 通常將LLC諧振變換器設計工作在區域1和2，工作區域3 是ZCS工作區。對于MOSFET而言，ZVS模式的開關損耗比ZCS模式的開關損耗要小。2.1.1 工作區域2(fr2ffr1) 模態1 M1:(t0tt1)t0時刻，Q2恰好關斷，諧振電流Ir0，IDR1=0。Ir流經D1，使VQ1=0,為Q1 ZVS開通創造條件。 在這個過程中，PWM信號加在Q1上使其ZVS開通。(Ir從左向右為正）工作區域2模態1 M1:(t0tt1)這時Vin加在諧振腔上，Ir增大到0，在這個過程中，由電磁感應定律知，同名端為“+”，副邊DR1導通，此時副邊電壓即為輸出電壓。反

6、推過去，原邊電壓即為恒定值（np*Vo/ns），則Lm處于恒壓儲能狀態，其電流線性上升。工作區域2模態2 M2:(t1tt2)t0t1時段，Q1已經ON。諧振電流Ir從0開始以近似正弦規律增大，副邊DR1依然導通，副邊電壓即為輸出電壓，那么原邊電壓是恒定值（np*Vo/ns），那么電流Ilm線性上升。工作區域2模態2 M2:(t1tt2) 此時工作在串聯諧振狀態，即Lr與Cr串聯諧振，Lm上電壓由于被箝位而只作為負載不參與諧振。 在這個時段里,有Ir=Ilm+Inp。在t2時刻，Ir=Ilm。工作區域2模態3 M3:(t2tCr-Lr-Lm形成回路，電流在減小; (2)由電磁感應定律知，同名端

7、為“-”，副邊DR2導通，此時副邊電壓為-Vo，原邊電壓為-(np*Vo/ns）; (3)電感Lm上的電流線性下降到0之前，將Q2開通，即實現了ZVS開通。而Ir的電流已正弦規律下降（這時是Lr與Cr諧振）。 (4)然后同樣的，達到，進入Lr+Lm與Cr諧振階段，直到Q2關斷，那么將進入下一個周期。2.1.2 工作區域1（ffr1） 模態12.1.2 2.1.2 工作區域工作區域1（ffr1） M1(t0tt1) t0時刻，Q2恰好關斷，此時Lr的電流Irfr1） 模態12.1.2 2.1.2 工作區域工作區域1（ffr1） M1(t0tt1) 由電磁感應定律知，副邊DR1導通，副邊電壓即為輸

8、出電壓Vo，則原邊電壓即為（np*Vo/np)，Lm上電壓為定值，Ilm線性上升到0，此時Lr與Cr諧振。在這段時間里Q1開通。工作區域1模態2 M2（t1tIlm，在Q1關斷時，副邊二極管依然導通,Ins依然有電流，同時Ir的存在，為Q2的ZVS開通創造了條件。工作區域1模態3 下半個周期與上半個周期類似。 (1)在t2時刻，Q1關斷，Ir電流流經D2，在這個過程中Q2開通，實現了ZVS開通，并且強制IrIlm; (2)Ilm電流開始減小，由電磁感應定律知，同名端為“-”，副邊DR2導通，原邊Lm電壓恒定，其電流線性減小，直至Q2關斷。工作區域1總結 總之，當ffr1時，依然有ZVS開通的特

9、點，但是整個工作過程中，激磁電感Lm沒有參與過諧振，都是Lr與Cr的串聯諧振，所以認為這種工作模式與串聯諧振類似，具備了串聯諧振的優缺點。 MOSFET關斷電流為Ir的電流，較大，這樣開關損耗也大；并且，副邊整流二極管沒有ZCS關斷，存在反向恢復問題，同時存在損耗。比工作區域2的效率要低。2.1.3 工作區域3（ffr2) 區域3是MOSFET的ZCS工作區，因為在ffr2時，諧振腔阻抗呈容性，電壓滯后于電流。在諧振變換器中，一般不設計在這個區域，所以這里將不詳細講解。2.2 LLC變換器的直流特性分析2.2.1 LLC變換器直流增益特性 LLC的諧振網絡可以等效如下圖。 圖中Req為折算到原

10、邊的負載，其值為：oeqRnR228該網絡的品質因數為：rreqCLRQ1首先計算該網絡的傳遞函數：rreqmeqmjLjCjRLjRLjG1/)(/)(）mrrrmrrrrrrrrrLLCLjQLLCLjQCLCLCL)(222rrCL1rrrff其中，且 進行歸一化計算：令 k=Lr/Lm,fn=f/fr，帶入G(jw)化簡得：kjQfkjQffffjGnnnnn)()(222)/1(/112nnnffjQfkk因此LLC諧振變換器的輸入輸出直流特性記為:),(QfMn2222)1()1 ()2/(1),(nnninonffQfkknVVQfM其增益特像曲線為： 從增益特性曲線上可以看出：

11、當開關頻率f在fr右邊時，工作在ZVS狀態；當輸入電壓降低，可以降低開關頻率使其增益增大；當負載加重時，諧振頻率會升高。2.2.2 k=Lr/Lm對直流增益特性的影響 不同k值下的直流增益曲線如下圖，圖中，橫坐標為fn ， 縱坐標為增益M。 在輸入輸出功率一定的變換器下，匝比n固定，在某一個Q下，直流增益曲線隨k的變化情況： 當k增大時，其最大增益值在減小，那么在低輸入電壓下可能達不到要求的輸出電壓；2.2.2 k=Lr/Lm對直流增益特性的影響 不同k值下的直流增益曲線如下圖，圖中，橫坐標為fn ， 縱坐標為增益M。 檔k增大時，在一定的電壓范圍內為了達到要求的輸出電壓，LLC變換器的工作頻

12、率范圍加寬，這對磁性元件的工作不利；k=1k=22.2.2 k=Lr/Lm對直流增益特性的影響 不同k值下的直流增益曲線如下圖，圖中，橫坐標為 fn， 縱坐標為增益M。 當k減小，即Lm的值減小時，由于輸出電壓一定，那么在電感Lm上的電壓是一個定值，由 Lm(di/dt)=u得，電流的峰值變大。而原邊開關管關斷時的電流即為激磁電流，那么會使關斷損耗較大；但是峰值電流過小，可能會影響零電壓的開通。因此，在選擇k值時應折中考慮。2.1.3 Q對直流增益特性的影響 不同Q值下的直流增益曲線如下圖，圖中，橫坐標為 fn， 縱坐標為增益M。 對于給定的諧振變換器，在n和k選定后，當Q值越大，其工作頻率的

13、變化范圍就越窄（在fr2ffr1的工作模式下），這樣有助于磁性元件的工作。Q=10Q=23 Saber仿真結果分析3.1 電路參數 根據LLC諧振變換器的工作原理的分析，我們在實際應用中通常使其工作在區域2（fr1ffr1的工作波形 從圖上可以看出，從圖上可以看出，Q1此時沒有實現此時沒有實現ZVS 的開通，在開通的開通，在開通時，有時，有200多伏的電壓，副邊整流二極管也不在是多伏的電壓，副邊整流二極管也不在是ZCS 關斷。關斷。這樣損耗比較大。這樣損耗比較大。Q1驅動電壓驅動電壓Q1電壓電壓A點電壓波形點電壓波形Vcr的電壓的電壓輸出電壓輸出電壓Vo副邊二極管副邊二極管IDR1IrIlm3.2.3 fr2ffr1的工作波形 從圖上可以看出，從圖上可以看出，Q1此時實現此時實現ZVS 的開通，副邊整的開通，副邊整流二極管是流二極管是ZCS 關斷，而且此時的關斷，而且此時的MOSFET的的ZVS開通開通及整流二極管及整流二極管ZCS的關斷較為容易實現。的關斷較為容易實現。Q1驅動電壓驅動電壓Q1電壓電壓A點電壓波形點電壓波形Vcr的電壓的電壓輸出電壓輸出電壓Vo副邊二極管副邊二極管IDR1IrIlm4 總結與工作規劃4.1 LLC諧振變化器總結 本次主要針對諧振變換器的技術發展，從S