全橋LLC諧振變換器的參數(shù)分析與研究

黃森+劉軍+徐忠良+唐剛

摘 要：全橋LLC諧振變換器以軟開關、高效率等特性，廣泛應用在中大功率DC/DC變換器。文章詳細分析了全橋LLC諧振變換器拓撲的工作原理，并運用基頻分量法討論了L、C等參數(shù)對諧振變換器的影響。結果分析表明，勵磁電感Lm選取較大值時，變換器的傳輸損耗較小。

關鍵詞：LLC諧振變換器；基頻分量法；電壓增益；參數(shù)

中圖分類號：TM131.4+1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0001-03

引言

移相全橋變換器在直流變換中應用廣泛，但是存在次級二極管關斷時反向恢復嚴重的特點[1]。所以，在中大功率DC/DC變換的應用中，全橋LLC諧振變換器以能在寬輸入全負載范圍內實現(xiàn)原邊開關管的零電壓開通和副邊整流二極管的零電流關斷，降低了開關損耗，而且變壓器的漏感可作為諧振電感，減小了變換器的體積等優(yōu)點，成為當前諧振變換器[2]的研究熱點。文章詳細分析了通態(tài)狀態(tài)下全橋LLC諧振變換器的工作狀態(tài)，并運用基頻分量法[3][4]對其進行穩(wěn)態(tài)建模，詳細討論了電壓增益和諧振網(wǎng)絡參數(shù)對全橋LLC諧振變換器的影響。

1 全橋LLC諧振變換器的工作原理和主要波形

全橋LLC諧振變換器拓撲結構如圖1所示，圖中，Q1-Q4為主功率開關管，D1-D4，C1-C4為開關管的體二極管與寄生電容，T為主功率變壓器，DR1和DR2為輸出整流二極管，諧振電感Lr，諧振電容Cr和勵磁電感Lm組成LLC諧振變換器的諧振網(wǎng)絡。

LLC諧振變換器電路有兩個諧振頻率，一個是諧振電感Lr和諧振電容Cr的諧振頻率fr，另一個是Lm和Lr，Cr形成的諧振頻率fm。即

選取不同的全橋LLC諧振變換器開關頻率f，則有三種工作模式，即f>fr，fm

階段1（t0-t1）：在t=t0時刻之前，Q1，Q3的寄生反并聯(lián)二極管D1，D3已經(jīng)導通，因此，在t=t0時刻，Q1，Q3實現(xiàn)零電壓開通。變壓器原邊承受正向電壓，整流二極管DR1導通，為負載提供能量，DR2截止。此時勵磁電感的電壓被鉗位在nV0，不參與諧振過程，勵磁電流im線性上升。

階段2（t1-t2）：在 t=t1時刻，諧振電流ir與勵磁電流im相等，整流二極管DR1零電流關斷，輸出側與諧振回路完全脫離，DR1和DR2的電流為零，勵磁電感Lm不在被鉗位，參與諧振過程，諧振電流 ir繼續(xù)對諧振電容Cr充電。

階段3（t2-t3）：在t=t2時刻，開關管Q1、Q3關斷，諧振電流ir對Q1、Q3的結電容充電，Q2、Q4的結電容放電，在t3時刻，Q2，Q4兩端電壓下降到零，為Q2，Q4零電壓開通準備了條件。

階段4（t3-t4）：開關管 Q1、Q3 仍是關斷狀態(tài)，ir和im都在下降，變壓器原邊承受反向電壓，整流二極管DR2導通。勵磁電感的電壓重新被輸出鉗位，所以，退出諧振過程，參與諧振的只有諧振電感 Lr和諧振電容Cr。

階段5（t4-t5）：在t=t4時刻，開關管Q2，Q4開通，輸入電壓通過Lr，Cr諧振向負載傳輸能量。在t=t5時刻，諧振電流ir與達到勵磁電流im相等，輸出側與諧振回路脫離，整流二極管 DR2 實現(xiàn)零電流關斷，Lm仍被鉗位，不參加諧振，勵磁電流im線性下降。

階段6（t5-t6）：在t=t5時刻，整流二極管DR2零電流關斷，輸出側與諧振回路脫離，勵磁電感的電壓不在被鉗位，參與諧振過程。

階段7（t6-t7）：在t=t6時刻，開關管Q2、Q4關斷，Q1、Q3結電容放電。在t=t7時刻，寄生二極管D1、D3 導通，Q1、Q3兩端的電壓下降到零，為開關管 Q1、Q3 的零電壓開通準備了條件。

階段8（t7-t8）：開關管 Q2、Q4 仍然關斷，整流二極管DR1導通。勵磁電感的電壓被輸出鉗位，所以，不參與諧振過程，發(fā)生諧振的只有諧振電感 Lr和諧振電容Cr。

2 基頻分量法對全橋LLC諧振變換器建模

基頻分量法可以將非線性的諧振電路化成正弦交流電路，采用正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析方法，簡化了分析和計算；另外，該方法能為實際工程提供切實可行的設計指導，并能清晰表達諧振變換器的穩(wěn)態(tài)特性。

基頻分量法[6][7][8]（First Harmonic Approximation），假定功率經(jīng)過諧振網(wǎng)絡從電源傳輸?shù)截撦d，只與電壓和電流的傅利葉展開式中的基頻分量相關。這種特性是與諧振網(wǎng)絡的選擇特性是一致的。在做穩(wěn)態(tài)分析前，先做以下假設：

（1）所用開關管、二極管、電感、電容和變壓器均為理想元件；（2）開關管寄生電容不參與諧振，其影響可以忽略；（3）輸出濾波電容足夠大，故輸出電壓紋波很小，可近似認為是一個電壓源；（4）忽略開關頻率諧波，電路中各電量只考慮基波分量。

如圖3為全橋LLC諧振變換器的網(wǎng)絡劃分，可以將其劃分為：開關網(wǎng)絡，諧振網(wǎng)絡，整流濾波網(wǎng)絡[9][10]。

2.1 開關網(wǎng)絡的建立

開關管Q1，Q3和Q2，Q4交替互補導通，則a，b兩端電壓是以Vin為幅值的方波電壓，Uab傅里葉變換得：

2.2 整流濾波網(wǎng)絡的建立

由模態(tài)分析可知，諧振電流ir（t）可近似認為是正弦基波分量，其頻率與開關頻率相同，表達式為：

3 電壓增益分析

由全橋LLC諧振變換器基頻分量法的等效電路可求出諧振網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為：

因為變壓器的匝比是可以確定的，不考慮變壓器匝比的情況下，以fn為自變量的增益分析。

（1）固定m不變，Q取不同的值。（m=0.2）

固定m=0.2，Q取不同的值，變換器增益曲線如圖5所示。不同的Q值，其相應的增益曲線的斜率也不同，Q取的值越小，電壓增益就越大，但所有的增益曲線都經(jīng)過（fn，M）=（1，1）這個點，即表示在諧振fr處，諧振網(wǎng)絡的增益為1，Lr和Cr發(fā)生諧振，等效阻抗為零，不受Q值和負載的影響，輸出特性最好。因此，常常將額定工作點設置在諧振頻率處。

（2）固定Q不變，m取不同的值。（Q=0.2）

固定Q=0.2，m取不同的值，變換器增益曲線如圖6所示。當歸一化電感量m越小，變換器的電壓增益曲線將會變得越緩慢，即變換器的最大增益越小，對其輸出電壓的調節(jié)會產生一定的影響，當輸入電壓較低時，輸出電壓可能無法調到想要的恒定值。當歸一化電感量m越小，電壓增益曲線的拐點頻率fn將會減小，確定諧振頻率fr，那么變換器的工作頻率f范圍將會變寬，電路中的開關損耗就會增加。當歸一化電感量m越大，確定諧振頻率fr，即諧振電感Lr確定時，勵磁電感Lm就越小，流過的電流就越大，電感上的損耗就越大，因此會影響變換器的傳輸效率。通過分析可知，m的值在選取時既不能太小也不能太大，應該折中選擇。一般選擇0.15～0.5。

4 諧振網(wǎng)絡的參數(shù)對諧振回路傳輸效率的影響

由圖7可知，電路工作在諧振頻率為fr時，在T/2處，勵磁電流im與諧振電流ir相等，并達到最大值。

以上分析可知，當變換器的T和R確定，原邊和副邊諧振電流有效值都取決于勵磁電感的大小。因此，變換器的傳輸損耗主要有勵磁電感決定，而不是諧振電感和諧振電容，勵磁電感的選擇變得尤為重要。

5 結束語

本文分析了全橋LLC諧振變換器的原理，運用基頻分量法建模和繪出的增益曲線詳細分析了電壓增益，以及諧振網(wǎng)絡參數(shù)對諧振回路傳輸效率所產生的影響。結果分析表明，為了提高電壓增益，Q和m應根據(jù)設計需要選擇恰當?shù)闹担瑸闇p小變換器的傳輸損耗，勵磁電感Lm應盡可能選取較大的值。

參考文獻：

[1]陳軍艷.大功率DC/DC模塊電源的研究[D].江蘇：南京航空航天大學，2004.

[2]B Lu，W Liu， Y Liang，et al.Optiomal Design Methodology for LLC Resonant Converter[A].Twenty-first Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，2006（APEC'06）[C].Dallas，2006：533-538.

[3]Erickson，Robert W.Fundamentals of Power Electronics[J].Second Edition.Kluwer Academic Publishers，2000.

[4]V.Vorperian and S.Cuk.Small-signal Analysis of Resonant Converter[J].IEEE Power Electronics Specialists，Conf.Rec.1983，269-282.

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[6]Erickson，Robert W.Fundamentals of Power Electronics[J].Second Edition.Kluwer Academic Publishers，2000.

[7]V.Vorperian and S.Cuk.Small-signal Analysis of Resonant Converter[J].IEEE Power Electronics Specialists，Conf.Rec.1983：269-282.

[8]Erickson R W，Maksimovic D. Fundamentals of power electronics. 2nd Edition， Publisher： Kluwer Academic Publishers， 2001.

[9]劉大慶.LLC諧振型開關變換器特性及其參數(shù)優(yōu)化設計方法研究[D].解放軍信息工程大學，2010，41.

[10]Lin I L， Lin C W. Design Criteria for Resonant Tank of LLC DC-DC Resonant converter. IEEE Transactions on Power Electronics. 2010：427-432.