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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，形成一个串联谐振腔
2、。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。,SRC的直流特性曲线,根据电路的直流特性可知： fsfr时,开关管 Q-ZVS； 轻载时，fs要变化很大才能保证输出电压不变; Vin增大时,fs增大使输出电压保持不变。 此时谐振腔的阻抗也增大，则谐振腔内有很高的能量在循环，而并没有把这些能量供给负载，并且使半导体器件的应力增大。,因此，串联谐振变换器存在一些不利因素：轻载调整率高、高的谐振能量、高输入电压时较大的关断电流。,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： fs
3、fr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 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
4、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,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
5、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)t0t
6、1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=Ilm。,工作区域2模态3, M3:(t2tCr-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，
7、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恰好关断，此时Lr的电流Irfr1） 模态1,2.1.2 工作区域1（ffr1）, M1(t0tIlm; (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
8、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),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
9、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，
10、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=2,2.2.2 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
11、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），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（fr1ffr1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
12、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。,
