多路均流輸出LLC諧振變換器的設(shè)計與仿真*

亢瑋冬，裴東興*，沈大偉

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

多路均流輸出LLC諧振變換器的設(shè)計與仿真*

亢瑋冬1，2，裴東興1，2*，沈大偉1，2

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

由于LED自身的特殊光電特性，所以無法直接使用交流市電進行驅(qū)動，需要專用的驅(qū)動電源進行驅(qū)動。為了給LED提供一個性能優(yōu)良，均流效果好的多路輸出驅(qū)動電源，詳細介紹了半橋LLC諧振變換器的工作過程、電容無源均流的電路結(jié)構(gòu)與原理，以及電路中各個關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計過程。設(shè)計了一臺功率為38 W的基于LLC諧振變換器的兩路輸出LED均流樣機，并且用Saber仿真軟件搭建模型，進行了實驗測試與分析。

諧振變換器；均流；仿真；驅(qū)動電源

近年來，能耗與供給的矛盾已經(jīng)開始嚴(yán)重制約我們國家經(jīng)濟的發(fā)展，為了秉持可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀，降低能耗已經(jīng)迫在眉睫［1］。由于LED具有很長的工作壽命，較高的亮度，而且環(huán)保，能夠很好的節(jié)能已經(jīng)在逐漸被人們認(rèn)可。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，對LED要求越來越高。一些大功率LED照明的領(lǐng)域，需要多顆LED串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)組合。在這種情況下如果各路LED的電流存在差異，將會使多路LED間的發(fā)光不均勻，甚至還有可能產(chǎn)生過流，損壞LED，因此LED要能夠?qū)崿F(xiàn)多路均流輸出［2］。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案和工作原理

總體設(shè)計采用的是以半橋LLC諧振電路為主電路，主電路主要包括方波發(fā)生，諧振網(wǎng)絡(luò)，均流網(wǎng)絡(luò)3部分。其中諧振網(wǎng)絡(luò)的勵磁電感由變壓器的原邊構(gòu)成。變壓器的次邊則由平衡電容和整流輸出回路組成，采用的是對稱的全波整流結(jié)構(gòu)。平衡電容來均衡兩路LED電流，同時還能夠折算回變壓器的原邊來參與諧振。系統(tǒng)的控制電路采用L6599芯片控制，通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，并設(shè)置了一個固定的死區(qū)時間來保證軟開關(guān)的正確進行。采樣電路采用電流采樣電路，對輸出電流進行采樣，經(jīng)由LM358和 TL431構(gòu)成恒流控制電路［3］。其中有TL431產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓經(jīng)由分壓電路進行分壓，然后將產(chǎn)生的分壓信號作為電流環(huán)的基準(zhǔn)信號，當(dāng)電流采樣信號超過了基準(zhǔn)信號時，光耦PC817會將電流信號耦合到原邊控制電路來控制PWM信號，從而保持恒流。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

半橋LLC諧振變換器能實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)（ZVS）或零電流開關(guān)（ZCS），使開關(guān)管的損耗得以降低，減小了體積和重量。它的性價比很高，效率也很高，是制作大功率LED驅(qū)動電源的最佳選擇［4］。

LLC諧振均流電路的主電路拓?fù)淙鐖D2所示，LLC諧振變換器包括方波產(chǎn)生電路、諧振網(wǎng)絡(luò)和和均流整流網(wǎng)絡(luò)［5］。其中半橋逆變網(wǎng)絡(luò)由開關(guān)管Q1、Q2構(gòu)成，Q1、Q2占空比為50%，存在一定的死區(qū)時間。諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電容Cr，諧振電感Lr以及變壓器的原邊電感Lm組成。拓?fù)渲械淖儔浩鳛槔硐胱儔浩鳌４芜呌衅胶怆娙軨b，整流二極管D1～D4構(gòu)成兩路整流輸出，采用的是對稱的全波整流結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩路均流輸出［6］。其中半橋LLC諧振有兩個諧振頻率，分別為：

圖2　LLC諧振均流電路的主電路

2　半橋LLC諧振電路的波形分析

在開關(guān)周期內(nèi)，LLC有8個工作階段。波形如圖3所示。

圖3　半橋LLC諧振變換器波形

波形分析如下：

階段1（t0～t1）在t0時刻，開關(guān)管Q1和Q2都處于關(guān)斷的狀態(tài)。諧振電流流過開關(guān)管Q1的寄生二極管，實現(xiàn)了Q1的ZVS（零電壓開關(guān)）開通。諧振電流此時處于負(fù)半周，并且在以正弦波的方式在減小。在t1時刻之前，流過Q1的電流已經(jīng)下降至零，此時電流iLr大于電流iLm，次邊的感應(yīng)電壓經(jīng)由D1、D2和Cb向負(fù)載供電，此階段Cb放電。t1時刻時，iLr變?yōu)檎琎1的寄生二極管關(guān)斷。

階段2（t1～t2）t=t1時刻，Q1正向?qū)ǎ娏髁鬟^由負(fù)變正，iLm將線性增大。由于開關(guān)周期大于諧振周期，將出現(xiàn)iLr與iLm相等，導(dǎo)致原邊次邊電流為零，iLm達到最大值。

階段3（t2～t3）t=t2時，D1、D3截止，實現(xiàn)零電流關(guān)斷，此時iLm達到最大值。變壓器將在原邊形成一個串聯(lián)諧振回路；變壓器次邊Cb放電通過D2、D4給LED2供電，與此同時C4放電，維持LED1工作。到t3時刻，Q1關(guān)斷，此時橋臂中點的輸出電壓與電源電壓相等。

階段4（t3～t4）t3時刻，Q1、Q2關(guān)斷，進入死區(qū)，Lr放電，Cr繼續(xù)充電。此時iLr下降速度比iLm快，兩者之間的電流差值為流過變壓器原邊的電流值。到了t4時刻，Cb放電已經(jīng)結(jié)束，兩端二極管導(dǎo)通，Q2實現(xiàn)零電壓開通。

下半周期同上半周期相比電路工作過程相似，只是相應(yīng)的電流方向相反，下半周期工作的波形與上半周期完全對稱［7］。

通過上面的分析可以知道，當(dāng) fm＜f＜fs時，主開關(guān)管Q1和Q2在零電壓開通條件下工作，輸出的整流二極管D1～D4在零電流關(guān)斷條件下工作，這就說明了半橋LLC諧振電路能夠很好地實現(xiàn)軟開關(guān)控制，這樣就使得變換電路的效率大大提高。

跟普通的LLC諧振電路相比，本電路次邊多了一個平衡電容，根據(jù)上述工作原理的分析，可以了解到平衡電容讓變壓器次邊的整流二極管的換流更容易實現(xiàn)，縮短了二極管的反向恢復(fù)時間，減小了關(guān)斷損耗；并且諧振電路中的能量傳遞到次邊后，要減去平衡電容中儲存的能量，抑制了電路效率的提高。

3　LLC的參數(shù)設(shè)計

參數(shù)設(shè)計計算流程圖如圖4所示。

圖4　參數(shù)設(shè)計計算流程圖

（1）變壓器的變比N：

（2）確定品質(zhì)因數(shù)Q：

實現(xiàn)ZVS的條件之一是發(fā)生在最小輸入電壓及最大增益時，此時

實現(xiàn)ZVS另一個條件是發(fā)生在最大輸入電壓及空載時，可以得到最大歸一化頻率為

由下式可得QZVS2的取值：

由下式取合適的品質(zhì)因數(shù)，并且留有一定的裕量

（3）諧振電容Cr：

（4）諧振電感Lr：

（5）勵磁電感Lm：

通過計算出這些參數(shù)的值，便可以進行LLC諧振變換器主電路設(shè)計，通過這些值我們可以得到勵磁電流峰值是大于td時刻的諧振電流的，所以滿足開關(guān)管零電壓導(dǎo)通的條件［8］。

4　電路仿真與實驗結(jié)果

4.1電路仿真

按照上述參數(shù)設(shè)計原則，設(shè)計了一款38 W的兩路均流LED驅(qū)動電源，采用了LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，額定輸入電壓為350 V。通過Saber軟件進行仿真，但由于軟件中沒有L6599芯片，所以本次仿真只能進行開環(huán)仿真。根據(jù)參數(shù)設(shè)計中的取值：變比為3.14，諧振頻率 fr=100 kHz，諧振電容Cr= 15.8nF，諧振電感Lr=160μH，勵磁電感Lm=800 μH，均流電容Cb=100nF。

仿真所得波形如圖5～圖7所示。

圖5　諧振電感電流iLr和勵磁電感電流iLm

圖6　橋臂中點輸出電壓Vn和驅(qū)動電壓Vp

圖7　諧振電容電壓Vcr

如圖5為諧振電感電流iLr和勵磁電感電流iLm的波形（其中實線為諧振電感電流，虛線為勵磁電感電流），從圖中可以看到由于諧振電感，勵磁電感和諧振電容在此階段共同產(chǎn)生諧振，此時變壓器副邊電流基本為零，導(dǎo)致iLr有些時間幾乎趨于不變。從圖6的波形圖（其中虛線為驅(qū)動電壓，實線為橋臂中點輸出電壓）可以清楚地看到電路有軟開關(guān)。從圖7可以看出由于參數(shù)的選擇，使得電路并沒有完全諧振，所以波形有些誤差。分析這些波形可以知道電路是工作在感性區(qū)域內(nèi)，可以同時實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通以及次級二極管的零電流關(guān)斷從而能避免反向恢復(fù)。而且通過計算出的兩路負(fù)載電阻、輸出電壓、輸出電流及電流誤差。我們發(fā)現(xiàn)誤差沒超過5%，因此有較好的均流效果。

4.2實驗結(jié)果分析

當(dāng)輸入為250 V交流時兩路負(fù)載輸出的電流波形，其中兩路阻值均為170Ω。圖形如圖8和圖9所示。

圖8　第1路LED電流波形

圖9　第2路LED電流波形

因此，可見在兩路負(fù)載相等的情況下基本能夠?qū)崿F(xiàn)均流。

當(dāng)輸入為250 V交流時兩路LED負(fù)載電流波形，其中第1路的阻值為170Ω，第2路的阻值為120Ω。圖形如圖10和圖11所示。

圖10　第1路LED電流波形

圖11　第2路LED電流波形

因此可以看出：兩路電流基本一致，因此在兩路負(fù)載不相等的情況下也可以實現(xiàn)均流。

5　結(jié)語

通過分析半橋LLC諧振變換器的工作過程、電容無源均流的電路結(jié)構(gòu)與原理，以及電路中各個關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計過程［9］。設(shè)計了一款38 W功率的兩路輸出LED均流樣機。利用Saber電路仿真軟件對電路進行了仿真，并分析所得的波形，仿真結(jié)果表明LLC變換器的開關(guān)管能在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開通，并且能夠?qū)崿F(xiàn)兩路均流輸出，驗證了實驗的可行性。

［1］陳為，王小博.一種具多路LED自動均流功能的反激式磁集成變換器［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，30：30-36+7.

［2］羅全明，鄒燦，支樹播，等.基于無源諧振恒流網(wǎng)絡(luò)的多路輸出LED驅(qū)動電源［J］.中國電機工程學(xué)報，2013，33（18）：73-79.

［3］李磊.LED照明電源的研究與設(shè)計［D］.南京：南京理工大學(xué)，2013.

［4］于曉強，林國慶，強京.基于LLC變換器的多路LED自動均流策略研究［J］.中國照明電器，2013，11：20-29.

［5］張振銀，秦會斌，劉琦，等.基于LLC的半橋諧振變換器設(shè)計［J］.電子器件，2010，33（5）：587-590.

［6］梁國輝，謝謙，王曾，等.基于LLC諧振的多路輸出LED路燈恒流驅(qū)動電路［J］.微電子學(xué)，2011，41（5）：668-671.

［7］黃欣，廖鵬飛，楊云，等.基于LLC諧振拓?fù)涞母呒啥萀ED恒流驅(qū)動電路［J］.微電子學(xué)，2013，43（4）：480-483.

［8］趙連玉，石鵬，岳有軍，等.高效半橋LLG諧振變換器的參數(shù)設(shè)計及仿真［J］.自動化與儀表，2014，29（10）：65-68.

［9］蔣婷.多路輸出LED驅(qū)動器混合均流技術(shù)研究［D］.浙江：浙江大學(xué)，2014.

亢瑋冬（1991-），男，中北大學(xué)在讀研究生，主要研究方向為智能動態(tài)測控，274892170@qq.com；

裴東興（1970-），男，山西襄汾，漢族，現(xiàn)為中北大學(xué)教授，主要研究方向為惡劣環(huán)境下動態(tài)信息的獲取及校準(zhǔn)技術(shù)，peidongxing@nuc.edu.cn；

沈大偉（1979-），男，山西太原，講師，漢族，中北大學(xué)博士研究生，研究方向為動態(tài)測控與智能儀器設(shè)計，bensdw@sina.com。

Design and Simulation of a Multi-Current-Sharing Output LLC Resonant Converter*

KANG Weidong1，2，PEI Dongxing1，2*，SHEN Dawei1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Due to the special photoelectric properties itself，LED cannot be directly driven by commercial power，thus special power supply is in need.In order to provide LED a multi-output drive power with good performance and current-sharing effect，the working process of half bridge LLC resonant converter is introduced，the principle and circuit structure of capacitive passive current sharing，and the process during designing parameters in the circuit，then a 38 W power dual-output LED current-sharing prototype is designed based on LLC resonant converter.By using Saber simulation software，the model of the prototype is built，and its experimental test and analysis are performed finally.

resonant converter；current sharing；simulation；driving power

TP206.1

A

1005-9490（2016）05-1199-05

2015-09-19修改日期：2015-12-05

EEACC:1290B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.035