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1、半桥半桥LLC谐振变换器设计与仿真谐振变换器设计与仿真石祥花2010-10-261 谐振变换器技术谐振变换器技术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
2、) 电路中电感与电容串联,形成一个串联谐振腔。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。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
3、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 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。由直流特性曲线可知: 当fr2fsfr1,这样低频谐振点没有利用。 从这个方
4、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。Back2 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
5、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
6、。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=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); (
7、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12.1.2 2.1.2 工作区域工作区域1(ffr1) M1(t0tt1) t0时刻,Q2恰好关断,此时Lr的电流Irfr1) 模态12.1.2 2.1.2 工作区域工作区域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,
8、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(t1tIlm,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,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
9、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
10、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,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
11、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=1k=22.2.2 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
12、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。BackQ=10Q=23 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,从图上可以看出,Q1此时没有实现此时没有实现ZVS 的开通,在开通的开通,在开通时,有时,有200多伏的电压,副边整流二极管也不在是多伏的电压,副边整流二极管也不在是ZCS 关断。关断。这样
13、损耗比较大。这样损耗比较大。Q1驱动电压驱动电压Q1电压电压A点电压波形点电压波形Vcr的电压的电压输出电压输出电压Vo副边二极管副边二极管IDR1IrIlm3.2.3 fr2ffr1的工作波形 从图上可以看出,从图上可以看出,Q1此时实现此时实现ZVS 的开通,副边整的开通,副边整流二极管是流二极管是ZCS 关断,而且此时的关断,而且此时的MOSFET的的ZVS开通开通及整流二极管及整流二极管ZCS的关断较为容易实现。的关断较为容易实现。Q1驱动电压驱动电压Q1电压电压A点电压波形点电压波形Vcr的电压的电压输出电压输出电压Vo副边二极管副边二极管IDR1IrIlm4 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fr2fPWM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!