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1、半桥LLC谐振变换器设计与仿真,石祥花 2010-10-26,1 谐振变换器技术 2 LLC变换器的工作原理 3 Saber仿真结果分析,1 谐振变换器技术,谐振变换器之所以得到重视和研究，是因为在谐振时电流或电压周期性过零，利用这一点实现软开关，可以降低开关损耗，提高功率变换器的效率。 谐振功率变化器有以下三种：SRC（Series Resonance Circuit）、PRC（Parallel Resonance Circuit）、SPRC（Series-Parallel Resonance Circuit，又称LLC）。,1.1 SRC（串联谐振电路）,电路中电感与电容串联，形成一个串联
2、谐振腔。这个谐振腔的阻抗与负载串联，则由于其串联分压作用，增益总是小于1。谐振腔的阻抗与频率有关，在其谐振频率fr下阻抗最小，此时的增益也最大。,1.2 PRC（并联谐振电路）,PRC的直流特性曲线,根据其直流特性可知： fsfr时，实现软开关； 轻载时，fs并不要变化很大来维持输出电压不变； Vin增大时，fs增大来维持输出电压不变。 此时谐振腔内循环的能量依然很大，即使是在轻载的条件下，由于负载与电容并联，仍然有一个比较小的串联阻抗。,与SRC相比，PRC优点：在轻载时，频率变化不大即可保证输出电压不变。 PRC的缺点：高的谐振能量、高输入电压时关断电流较大会引起较大的关断损耗。,1.3
3、SPRC（串并联谐振电路）,串并联谐振电路有两种形式。,LCC形式,对于LCC电路，存在两个谐振频率： 显然，fr2fr1，这样低频谐振点没有利用。 从这个方案可以看出，可以利用双谐振网络来实现ZVS，如果将LCC的直流特性左右翻转，那么低频谐振点就可以利用上。因此，出现了特性较好的谐振变换器LLC结构。,LLC形式,对于LLC电路，存在两个谐振频率： 显然，fr1fr2。由直流特性曲线可知： 当fsfr2时，MOSFET工作在ZVS区域，对于MOSFET而言，ZVS模式下开关损耗较ZCS模式要小； 在轻载时，LLC谐振变换器的开关频率变化很小，即使在空载时它也具备零电压开关能力。,Back,
4、2 LLC变换器的工作原理,2.1 LLC变换器的模态分析,根据LLC谐振变换器的直流增益特性可以将其分为三个工作区域。 通常将LLC谐振变换器设计工作在区域1和2，工作区域3 是ZCS工作区。对于MOSFET而言，ZVS模式的开关损耗比ZCS模式的开关损耗要小。,2.1.1 工作区域2(fr2ffr1) 模态1, M1:(t0tt1) t0时刻，Q2恰好关断，谐振电流Ir0，IDR1=0。Ir流经D1，使VQ1=0,为Q1 ZVS开通创造条件。 在这个过程中，PWM信号加在Q1上使其ZVS开通。,(Ir从左向右为正）,工作区域2模态1, M1:(t0tt1) 这时Vin加在谐振腔上，Ir增大
5、到0，在这个过程中，由电磁感应定律知，同名端为“+”，副边DR1导通，此时副边电压即为输出电压。反推过去，原边电压即为恒定值（np*Vo/ns），则Lm处于恒压储能状态，其电流线性上升。,工作区域2模态2, M2:(t1tt2) t0t1时段，Q1已经ON。谐振电流Ir从0开始以近似正弦规律增大，副边DR1依然导通，副边电压即为输出电压，那么原边电压是恒定值（np*Vo/ns），那么电流Ilm线性上升。,工作区域2模态2, M2:(t1tt2) 此时工作在串联谐振状态，即Lr与Cr串联谐振，Lm上电压由于被箝位而只作为负载不参与谐振。 在这个时段里,有Ir=Ilm+Inp。在t2时刻，Ir=I
6、lm。,工作区域2模态3, M3:(t2tt3) t2时刻，Inp=0,则副边电流也为0，即DR1ZCS关断，不存在反向恢复的问题。在这个时段，Q1依然导通。这时（Lr+Lm)与Cr形成串联谐振，由于时间较短，而且（Lm+Lr）也很大，认为电流保持不变，Ir=Ilm。 在t3时刻，Q1关断，电流Ir（大于0）为ZVS开通Q2创造条件。,工作区域2模态3,从这个模态可知，MOSFET的关断电流即为激磁电流，通过变压器的合理设计，使激磁电流比负载电流小的多，那么可以 降低开关损耗。 同时可知，ZVS开通是由于激磁电流所得，此时原副边断开，与负载电流无关，那么即使在零电流负载的条件下也能实现ZVS开
7、通。,工作区域2模态4,在下半个周期，其模态与上半个周期一样。 (1)在t3时，Q1关断了，激磁电流流经D2-Cr-Lr-Lm形成回路，电流在减小; (2)由电磁感应定律知，同名端为“-”，副边DR2导通，此时副边电压为-Vo，原边电压为-(np*Vo/ns）; (3)电感Lm上的电流线性下降到0之前，将Q2开通，即实现了ZVS开通。而Ir的电流已正弦规律下降（这时是Lr与Cr谐振）。 (4)然后同样的，达到，进入Lr+Lm与Cr谐振阶段，直到Q2关断，那么将进入下一个周期。,2.1.2 工作区域1（ffr1） 模态1,2.1.2 工作区域1（ffr1）, M1(t0tt1) t0时刻，Q2恰
8、好关断，此时Lr的电流Ir0（从左向右记为正）。Ir流经D1，为Q1ZVS开通创造条件，并且Ir以正弦规律减小到0。,2.1.2 工作区域1（ffr1） 模态1,2.1.2 工作区域1（ffr1）, M1(t0tt1) 由电磁感应定律知，副边DR1导通，副边电压即为输出电压Vo，则原边电压即为（np*Vo/np)，Lm上电压为定值，Ilm线性上升到0，此时Lr与Cr谐振。在这段时间里Q1开通。,工作区域1模态2, M2（t1Ilm，在Q1关断时，副边二极管依然导通,Ins依然有电流，同时Ir的存在，为Q2的ZVS开通创造了条件。,工作区域1模态3,下半个周期与上半个周期类似。 (1)在t2时刻
9、，Q1关断，Ir电流流经D2，在这个过程中Q2开通，实现了ZVS开通，并且强制IrIlm; (2)Ilm电流开始减小，由电磁感应定律知，同名端为“-”，副边DR2导通，原边Lm电压恒定，其电流线性减小，直至Q2关断。,工作区域1总结,总之，当ffr1时，依然有ZVS开通的特点，但是整个工作过程中，激磁电感Lm没有参与过谐振，都是Lr与Cr的串联谐振，所以认为这种工作模式与串联谐振类似，具备了串联谐振的优缺点。 MOSFET关断电流为Ir的电流，较大，这样开关损耗也大；并且，副边整流二极管没有ZCS关断，存在反向恢复问题，同时存在损耗。比工作区域2的效率要低。,2.1.3 工作区域3（ffr2)
10、,区域3是MOSFET的ZCS工作区，因为在ffr2时，谐振腔阻抗呈容性，电压滞后于电流。在谐振变换器中，一般不设计在这个区域，所以这里将不详细讲解。,2.2 LLC变换器的直流特性分析,2.2.1 LLC变换器直流增益特性 LLC的谐振网络可以等效如下图。 图中Req为折算到原边的负载，其值为：,该网络的品质因数为：,首先计算该网络的传递函数：,其中,，且,进行归一化计算：令 k=Lr/Lm,fn=f/fr，带入G(jw)化简得：,因此LLC谐振变换器的输入输出直流特性记为:,其增益特像曲线为：,从增益特性曲线上可以看出：当开关频率f在fr右边时，工作在ZVS状态； 当输入电压降低，可以降低
11、开关频率使其增益增大； 当负载加重时，谐振频率会升高。,2.2.2 k=Lr/Lm对直流增益特性的影响,不同k值下的直流增益曲线如下图，图中，横坐标为fn ， 纵坐标为增益M。,在输入输出功率一定的变换器下，匝比n固定，在某一个Q下，直流增益曲线随k的变化情况： 当k增大时，其最大增益值在减小，那么在低输入电压下可能达不到要求的输出电压；,2.2.2 k=Lr/Lm对直流增益特性的影响,不同k值下的直流增益曲线如下图，图中，横坐标为fn ， 纵坐标为增益M。, 档k增大时，在一定的电压范围内为了达到要求的输出电压，LLC变换器的工作频率范围加宽，这对磁性元件的工作不利；,k=1,k=2,2.2
12、.2 k=Lr/Lm对直流增益特性的影响,不同k值下的直流增益曲线如下图，图中，横坐标为 fn， 纵坐标为增益M。, 当k减小，即Lm的值减小时，由于输出电压一定，那么在电感Lm上的电压是一个定值，由 Lm(di/dt)=u得，电流的峰值变大。而原边开关管关断时的电流即为激磁电流，那么会使关断损耗较大；但是峰值电流过小，可能会影响零电压的开通。,因此，在选择k值时应折中考虑。,2.1.3 Q对直流增益特性的影响,不同Q值下的直流增益曲线如下图，图中，横坐标为 fn， 纵坐标为增益M。,对于给定的谐振变换器，在n和k选定后，当Q值越大，其工作频率的变化范围就越窄（在fr2ffr1的工作模式下），
13、这样有助于磁性元件的工作。,Back,Q=10,Q=2,3 Saber仿真结果分析,3.1 电路参数 根据LLC谐振变换器的工作原理的分析，我们在实际应用中通常使其工作在区域2（fr1ffr2）。用Saber仿真时电路的参数如下： 输入电压Vin=400V； 输出电压Vo=24V； 输出功率Po=300W； Lr=68uH； Cr=46nF； Lm=408uH； 匝比n=8.3； Cf=600uF； 负载电阻R=2； 开关频率fs=90KHZ。,3.2 仿真波形,3.2.1 f=fr1的工作波形,Q1驱动电压,Q1电压,A点电压波形,Vcr的电压,输出电压Vo,副边二极管IDR1,Ir,Ilm
14、,从图上可以看出，Q1实现了临界ZVS 的开通，副边整流二极管临界ZCS 关断。,3.2.2 ffr1的工作波形,从图上可以看出，Q1此时没有实现ZVS 的开通，在开通时，有200多伏的电压，副边整流二极管也不在是ZCS 关断。这样损耗比较大。,Q1驱动电压,Q1电压,A点电压波形,Vcr的电压,输出电压Vo,副边二极管IDR1,Ir,Ilm,3.2.3 fr2ffr1的工作波形,从图上可以看出，Q1此时实现ZVS 的开通，副边整流二极管是ZCS 关断，而且此时的MOSFET的ZVS开通及整流二极管ZCS的关断较为容易实现。,Q1驱动电压,Q1电压,A点电压波形,Vcr的电压,输出电压Vo,副
15、边二极管IDR1,Ir,Ilm,4 总结与工作规划,4.1 LLC谐振变化器总结 本次主要针对谐振变换器的技术发展，从SRC，PRC的优缺点中引出工作性能较好的LLC谐振变换器。 根据半桥LLC电路，分析了其工作原理、直流增益特性，并用Saber软件对其进行了仿真验证。 经过仿真，我们可以得出，LLC工作在fr2ffr1的区域内，较为容易实现MOSFET的ZVS开通及整流二极管ZCS的关断，这样大大减小了电路中的损耗，提高了LLC变换器的效率，有些LLC变化器的效率甚至可以达到95%，这个效率相当可观了。,4.2 工作规划,本次主要针对半桥LLC的开环电路进行了仿真与分析，进一步理解其工作原理。下一步学习重点： LLC谐振变换器的参数设计（这个内容已在进行看，但是还没有理解全面）； LLC谐振变换器的闭环设计； LLC谐振变换器的控制芯片（CM6901，CM6900,芯片的资料已经看过，但是对于用其进行闭环控制，还没有理解透彻。这里涉及到FM-PWM的模式转换，在轻载时，前面已经讲过，为了使输出电压不变，必须提高开关频率到一个很大的值，这个不太好实现，此时可以让电路工作在PWM模式，改变占空比来控制输出电压不变。） FM/PWM模式间的转换原理要进一步学习。,The end. 谢谢！,
