半橋型LLC變換器穩態建模與參數設計

李尹泉，尹 斌，康亞東

（河海大學 能源電氣學院，江蘇 南京 211100）

諧振變換器相對PWM變換器，具有開關工作頻率高、開關損耗小、允許輸入電壓范圍寬、效率高、重量輕、體積小、EMI噪聲小、開關應力小等優點。LLC諧振變換器具有原邊開關管易實現全負載范圍內的ZVS，次級二極管易實現ZCS，諧振電感和變壓器易實現磁性元件的集成，以及輸入電壓范圍寬等優點，得到了廣泛的關注。本文介紹了半橋型LLC諧振變換器諧振網絡的穩態模型，并給出了參數設計方法，最后通過仿真分析了設計方法的正確性。

1 LLC諧振變換器電路拓撲及其工作原理

半橋型LLC諧振變換器拓撲結構如圖1所示。采用存在固定死區時間的50%占空比互補驅動來變頻工作。諧振網絡具有選頻特性。由于LLC諧振電路存在諧振電感和，因此電路有兩個諧振頻率。

2 穩態建模分析

LLC諧振變換器的開關管以占空比為0.5的互補方式開通，諧振網絡的輸入電壓是幅值Vbus的方波，傅里葉級數展開式：

圖1 LLC諧振變換器的拓撲結構Fig.1 The structure of LLC resonant converter

由于諧振網絡相當于選頻網絡，只有Vs（t）的基波分量經諧振網絡傳送到負載側[1]。LLC電路工作在零電壓區域，輸入基波電流 ir1（t）要滯后于輸入基波電壓 Vs1（t）一定相位，因此輸入基波電流ir1（t）可表示為：

全波整流的輸入電壓是幅值為Vo的方波，相位與輸入電流相位以及諧振電流相位一致。全波整流的輸入電壓傅里葉級數展開為：

副邊全波整流電路的輸入電流基波分量可以表示為：

式中，Irect1（t）為整流電路輸入電流基波分量有效值。輸出平均電流為：

從而，可得負載電阻換算到初級的等效電Req阻為：

可以得到諧振網絡電路等效，如圖2所示。

圖2 等效諧振網絡Fig.2 The equal circuit of resonance

由圖2可以得出諧振變換器的傳遞函數：

使用MathCAD[2]軟件繪出諧振網絡的直流增益特性曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 不同 值下的直流增益特性曲線（n=0.9，Q=0.5）Fig.3 Different gain curve under different Q

圖4 k變化時直流增益曲線（n=0.9，Q=0.32）Fig.4 Different gain curve under different k

3 主電路元件參數計算

輸出功率：Po=200 W；最大輸入電壓：Vbus_max=412 V；最小輸入電壓：Vbus_min=360 V；額定輸入電壓：Vbus_mormal=360 V；輸出電壓電流：Vo=22 V，Io=0.9 A；輸出二極管電壓壓降：Vof=1.2 V；諧振頻率：fr=200 kHz，最高頻率fmax=250 kHz。

1）計算理論變壓器匝數比N[3-6]：

選擇實際變比：N=0.9

2）計算最高、最低輸入電壓增益 Mmin、Mmax：

3）最大歸一化頻率

4）選取k計算Q：

4 Saber仿真結果

為驗證半橋型LLC參數選擇的有效性，建立了基Saber的仿真模型。仿真結果如圖所示。

圖5 滿載Fig.5 Full load

圖6 空載Fig.6 Empty load

圖5 是滿載時相關波形，圖6是空載時相關波形。由圖可以看出，從空載到滿載原邊開關管實現了ZVS，次級二極管實現了ZCS。

5 結 論

文中通過基波分析法，對半橋型LLC諧振變換器進行了穩態建模分析，并給出了半橋型LLC的參數設計方法。最后通過Saber仿真驗證了開關管在所選參數下實現了ZVS，二極管實現了ZCS，所選參數的合理性。

[1]段建華.照明用大功率LED恒流驅動技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[2]郭仁春.Mathcad在信號與系統中的應用[M].北京：北京大學出版社，2012.

[3]陳越，吳新科，錢照明.基于LLC拓撲的寬電壓輸出LED驅動電源研究[J].電力電子技術，2011（3）:79-81.CHEN Yue，WU Xin-ke，QIAN Zhao-ming.Research on wide range output LED driver based on LLC topology[J].Power Electronic，2011（3）:79-81.

[4]張振銀，秦會斌，劉琦，等.基于LLC的半橋諧振變換器設計[J].電子器件，2010（5）:5-8.ZHANG Zhen-yin，QIN Hui-bin，LIU Qi，et al.Modeling and design of half-bridge LLC resonant converter[J].Electronic Devices，2010（5）:5-8.

[5]江雪，龔春英.LLC半橋諧振變換器參數設計法的比較與優化[J].電力電子技術，2009（11）:56-58.JIANG Xue，GONG Chun-ying.Comparison and optimization for LLC half-bridge resonant converter parameter design[J].Power Electronics，2009（11）:56-58.

[6]陸治國，余昌斌.新型LLC諧振變換器的分析與設計[J].電氣應用，2008（1）:65-68.LU Zhi-guo，YU Chang-bin.Analysis and design of LLC resonant converter[J].Electrical Applications，2008（1）:65-68.