高电压大功率输出的LLC谐振变换器的设计Word文档下载推荐.docx
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ZHAOHui-chao,YANXiang-wu,LIUHong-chang,ZHANGQing-li
(NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071000,China)
DesignofLLCResonantConverterforHigh-VoltageHigh-PowerOutput
随着电源装置向小型化、轻量化方向发展,电源的开关频率逐渐高频化,但在传统硬开关方式下将使开关损耗增加,影响效率。
软开关技术的出现则在一定程度上缓解了这种矛盾。
软开关技术通过引入谐振,在开关管导通或关断前后,使电压和电流产生一定的相位差,从而降低开关损耗和噪声。
LLC谐振变换器即属于软开关变换器中的一种。
近年来,LLC谐振变换器以其结构简单、效率高、功率密度大等诸多优点在通信电源领域备受关注。
有关LLC半桥谐振变换器参数设计方法的研究很多[1-2],但主要是依靠工程经验对参数进行设计,精确设计该变换器的参数及各参数之间的配合是实现变换器可靠运行,确保软开关及低损耗的前提。
鉴于LLC谐振变换器高效率的特点,在将它用于大功率DC/DC变换时也应可以得到较好的效率。
首先分析了LLC半桥谐振变换器的软开关特性和工作原理,然后介绍LLC谐振变换器的等效模型
和一种LLC半桥谐振变换器的设计方法,最后根据设计的参数建模仿真。
1LLC谐振变换器的基本原理
半桥LLC谐振变换器的主电路结构如图1所示。
LLC谐振变换器一般包括三部分:
方波产生电路、谐振网络和输出电路[3]。
图1半桥LLC谐振变换器的主电路结构
Q1
Q2
DQ1DQ2
CQ1CQ2
LCs
Lm
Vin方波产生电路可以是半桥或全桥结构(一般根
11
电工电气(2012No.8
据功率需求选择。
通过高低端开关管的交替导通,将直流输入转换为方波。
当然,为防止它们同时导通,LLC谐振控制器普遍会在高低端开关管的驱动信号之间插入固定或可调的死区时间。
LLC谐振变换器的谐振网络由三个谐振原件构成,分别为谐振电容Cs,谐振电感Ls和激磁电感Lm。
从图中可以看出,电路由以下元件构成:
两个功率MOSFETQ1、Q2,Q1和Q2的占空比都是0.5,采用固定死区的互补调频控制方式来进行控制。
图中分别给出了Q1和Q2的半导体二极管和寄生电容、谐振电容Cs、理想变压器、并联谐振电感Lm、串联谐振电感Ls、全桥整流二极管(D1、D2、D3、D4、输出电容C0和负载R0。
方波馈入谐振网络后,电流波形和电压波形将产生相位差。
开关损耗为流过开关管的电流与其源漏极两端的电压乘积。
由于Q1、Q2在电流流过半导体二极管时开启,开启电压很低,所以损耗很小。
LLC谐振变换器电路有两个谐振频率,一个是谐振电感Ls和谐振电容Cs的谐振频率,一个是Lm加上Ls与Cs的谐振频率。
即:
fr1为Cs与Ls的谐振频率,fr2为Cs、Ls和Lm的
谐振频率,显然fr1>fr2。
从开关频率fS与谐振频率的关系来看,LLC的工作状态分为fS=fr1、fr2≤fS<fr1、fS>fr1三种工作区域。
当谐振变换器开关频率fS等于fr1时,原边开关管Q1和Q2实现零电压开通(ZVS,副边整流二极管实现零电流(ZCS自然关断,并且工作在电流连续状态;
当谐振变换器的开关频率fS工作在fr1和fr2之间时,励磁电感Lm参与谐振,原边开关管Q1和Q2实现零电压开通(ZVS,副边整流二极管实现零电流(ZCS自然关断,并且工作在电流断续状态,当工作频率偏离谐
振频率fr1并下降时,激磁环路电流相对增加;
当谐振变换器工作在高于fr1的开关频率时,励磁电感Lm被输出电压钳位,不参与谐振,开关管Q1、Q2实现了零电压(ZVS开通,激磁环路电流相对较小,但副边整流二极管不能实现零电流(ZCS自然关断。
对不同负载产生的不同功率需求,变换器的开关频率也将不同;
负载越轻,开关频率越高。
当开关频
率约等于谐振频率fr1时,LLC变换器的特性几乎与负载无关,增益仅由变压器匝数比决定。
半桥LLC的软开关特性体现为:
(1主开关管零电压开通。
当Q2关断,流过谐振电感的电流is经Q1的半导体二极管放电,为Q1的零电压开通做好准备;
(2整流二极管零电流关断/导通。
当is振荡到与激磁电感电流im相等时,D1和D4因电流下降至零,自然关断。
当Cs、Ls和Lm共同谐振时,变压器初级停止向次级传递能量,负载由输出电容C0供电,直到Q1关断,电流通过Q2的半导体二极管放电,为Q2实现零电压开通做准备,然后D2和D3导通,能量传递再次建立,同时实现二极管零电流导通。
2半桥LLC谐振变换器的等效模型
谐振网络的滤波作用可以采用基波近似原理,获得谐振变换器的电压增益,这需要假定方波电压的基波分量输入到谐振网络,并传输电能至输出端,因为次级整流电路表现为阻抗变换器,等效负载电阻不同于实际负载电阻。
开关管Q1和Q2互补导通,在Q1和Q2的中点形成一个幅值为Vdc的方波,经过傅里叶分解,可以得到它的基波为:
其有效值为:
由于变压器副边绕组的电流为正弦波,对于全
桥整流电路,如图2所示。
设负载阻抗为RL,变压器副边等效负载阻抗为
Roac,则:
fr1=1ss
2(1fr2=
1sms
2(2
ViFHA(tdc
sin(2πfSt
2
π(3
π(4
IacIo
(5EacEo
(6图2全桥整流电路
L
o
Iac
I高电压大功率输出的LLC谐振变换器的设计
电工电气(2012No.8LLC谐振的等效电路如图3所示。
经变压器变换后的变压器原边交流等效负载为
Rac[4-5],则:
得到输入输出的等效后,可以计算谐振槽路的
增益。
其中,k为系数,定义为k=Lm/Ls;
Q为品质因数,且Q=ssRac;
fn为归一化频率,定义为
fn=fS/fr1,即开关频率fS与谐振频率fr1的比值。
3LLC谐振变换器的设计
LLC谐振变换器设计的主要侧重点是谐振网络
的设计,其中的三个参数对谐振变换器的性能有重要影响:
变压器匝数比n,谐振电路品质因数Q和系数k。
其中:
这三个参数对变换器的效率、循环能量和稳压输出所需频率范围等都有影响。
Q值越高,稳压所需的开关频率范围就越大,但Q值过低又可能导致变换器稳压能力下降。
k值决定励磁电感中存储能量的大小,k值太小将影响变压器绕组间的耦合,一般取5~10[6]。
半桥LLC谐振变换器参数设计要求如下:
(1输入电压为直流480~580V;
(2输出电压为直流400V,输出电流为0~12.5A;
(3额定输出功率为5kW。
3.1变压器变比的设计
当开关频率工作在谐振点时,谐振变换器的直
流增益为1,并且与负载无关。
为使变换器工作在
fr2和fr1之间,通常将最高输入电压时工作频率固
定在串联谐振频率上,此时增益最小,且直流增益M=1,所以:
解得n=0.725。
3.2直流增益M的计算
当输入电压最小时增益最大,所以最大增益:
所以最大直流增益:
考虑M需要15%裕量,所以峰值增益:
M=Mmax×
1.15=1.38(15
3.3副边等效阻抗的计算
选择k=4,查品质因数Q与峰值增益的特性曲线,得到品质因数Q=0.43,所以:
3.4谐振电容、谐振电感和激磁电感的计算
fr1取35kHz,则:
4仿真结果及分析
根据以上设计原理和设计参数,采用PSPICE软件建模仿真,得到的输出电压Vo的波形如图4所示。
图3LLC谐振的等效电路
(8
Rac=n2RoacRL
8n2
πM(fn,k,QnVOFHA
iFHA
1
2+Q2(fn2
kkfnfn
(9
(10Q=
1Racss
k=L
m
s
(11Gdc(min=
Voin(max12400
580
(12
Gdc(minM
max
Voin(min1
2(13
MmaxnVoin(min400480
(14
(16Rac8n2RLπ28×
0.7252×
4002
3.14×
5×
108n2V2oπ2PoCsnF
2πQfr1Rac(17LsH1
4πfr1Cs
(18Lm=k×
Ls=106.8μH
(19
ac
图4输出电压Vo的波形图
1000
800
t/ms
Vo/V
400100200700600500400300200300谐振电流为正弦波,谐振电流ILs和激磁电流
ILm的波形如图5所示。
(7
RoacRL
Eacac8π2Eoo8
π2
13
到设计要求。
5结语
介绍了LLC谐振变换器的工作原理,分析了等效电路模型及其关键参数对性能的影响,且给出了一种参数设计方法。
通过仿真结果可看到,LLC谐振变换器很好地工作在软开关状态,实现了原边的零电压开关(ZVS和副边的零电流开关(ZCS,减小了损
耗,提高了效率,还可做到减少电磁干扰的效果。
参考文献
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计方法[J].中国电机工程学报,2008,28(33:
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汉:
华中科技大学,2006.
[6]朱立泓.LLC谐振变换器的设计[D].杭州:
浙江大
学,2006.
收稿日期:
2012-06-19
图6副边整流二极管ID1和ID4的波形
299.10
0299.14
I/A299.09
18213151296299.11299.12
299.13
ID1
ID4
图5谐振电流ILs和激磁电流ILm的波形图
799.88
-40799.96
I/AV/V
799.86
2040
799.90
799.92
799.940
-20
VHB
IS
ILm
图5中的VHB是两个开关管中点,即半桥中点的电压波形。
由图5可看到,谐振电流呈感性,原边开关管实现了零电压开关(ZVS。
副边整流二极管
ID1和ID4的波形如图6所示。
由图6可以看到,副边二极管实现了零电流开关(ZCS。
综上可知,谐振网络工作性能良好,达(上接第4页
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- 电压 大功率 输出 LLC 谐振 变换器 设计