現代LLC諧振變換器的設計

文/何杜

就LLC諧振變換器具有的高效率、便于磁集成、低EMI等特點進行分析，將其應用到現代電力電子設備中，且兩相或者多相LLC-SRC交錯并聯技術的應用，能夠在一定程度上提高電源功率等級，但是還需要解決并聯造成的負載不均流問題。通過設計爭取應用簡單并聯結構，消除以往應用中存在的問題，使其可以更高程度上滿足電源產品應用需求。

1　LLC諧振變換器特點

就現代電力電子設備生產應用現狀來看，可選擇的諧振變換器種類較多，包括串聯諧振變換器、并聯諧振變換器以及串并聯諧振變換器，而相比上述三種以外，LLC諧振變換器具有更多特殊性能，在應用上也具有更大優勢。LLC諧振變壓器融合了傳統串聯與并聯諧振變換器的技術優勢，在具有串聯諧振變換器諧振電容隔直作用的同時，還可以促使諧振槽路電流隨負載變化，且具有并聯諧振變換器對濾波電容電流脈動要求低、空載條件下運行的優點，將其應用到電力電子設備中性能更為優良。在LLC諧振變換器內，變壓器勵磁電感Lm為關鍵元件，在特定條件下，勵磁電感會參與到變換器諧振過程中去，相比來講其工作原理更為復雜。但是在實際應用中技術優勢也比較明顯，例如全負載范圍內可實現ZVS，且MOSFET關斷電流更小，產生的關斷損耗較小；次級取消濾波電感，大幅度上降低了整流二極管電壓應力；可用于較大輸入電壓以及負載變化范圍，能夠有效調節電壓；更容易集成磁性器件，諧振電感與變壓器集成到一個磁芯上所面對的難度更小。并且可以實現次級高頻整流二極管的ZCS，將二極管反向恢復過程進行了消除，不僅可以提高運行效率，同時還能夠降低電源EMI干擾。正是因為LLC諧振變換器具有的各技術優勢，使其在近年來得到了廣泛應用，逐漸成為開關電源研究的重點對象。

2　LLC諧振變換器設計優化

2.1　兩相LLC諧振變換器并聯負載均流特性

對于傳統的兩相LLC諧振變換器直接并聯方式來講，兩個并聯模塊輸入電壓以及輸出負載處于共用狀態，其余部分則保持獨立運行。對負載均流特性進行分析，首先需要對LLC諧振變換器增益特性進行簡單分析，可選擇通過基波分析法對LLC諧振變換器等效模型進行分析，得到電壓增益M表達式：

其中，fn=fa/fr，

根據公式可以得到輸出阻抗表達式：

輸出電阻Rout表示每路LLC所分配的功率，其為諧振參數Lr、Lm、Cr以及增益M的函數。兩相LLC寫著變換器直接并聯結構，基于兩個模塊輸入電壓與輸出電壓相同，可判斷其增益相同。但是在實際應用中，并不能完全控制兩組諧振槽元件參數一致，由上述公式可知，Zo與λ無法完全相等，便可確定每路LLC功率分配存在一定差異，尤其是惡劣因素影響下，很有可能會造成輸出功率由其中一路完全承受，最終造成電源被損壞。

對負載均流特性以及操作頻率間關系進行分析，選擇的兩路諧振槽應控制保持一定差異，確定第一路LLC變換器諧振槽為理論計算值，第二路則留出一定裕量，可得到關系式：

按照公式進行計算，可確定在頻率不斷變化的情況下，M≠1時隨著頻率增加，輸出負載差異先減小后增大；M=1時，隨著頻率增大輸出負載會減小。面對傳統兩路并聯結構來講，需要加入額外電流控制環，來避免兩路負載的不平衡，但是額外電流控制環的應用會增加控制回路復雜性。如果采取優化諧振槽參數與輸出阻抗的方法來減小紋波，會影響到均流效果。

2.2　兩相LLC諧振變換器交錯并聯

基于傳統兩相LLC諧振變換器并聯方式存在的不足，提出全新的交錯并聯方法，將輸入端改用為兩個電容串聯分壓處理，然后將其分別輸入到兩個模塊中，以此來保證兩路LLC諧振變換器輸出電壓相等，而輸入電壓不同，在諧振參數不同情況下能夠達到兩路負載自動均流的效果。輸入分壓電容的電壓瞬時值表達式為：

其中：

經過此種設計后，兩路諧振槽參數并不相同，使得諧振阻抗Z1(s)與Z2(s)不同，進而兩路增益也存在較大差異。假如其中一路被分配較大功率，則其前端分壓電容抽取的功率就比較大，對應的分壓電容電壓便會降低，增益增大，進而間Rout增大，促使這一路分配的功率減小。最終電容C1與電容C2電壓會隨著上下路LLC所抽取功率大小來進行自動調節，實現兩路負載的平衡。

3　結束語

LLC諧振變換器在電力電子設備中應用，對比傳統的串聯或并聯諧振變換器具有更大優勢，但是就實際情況來看，在設計上還存在一定問題，還需要對其進行優化。本文從理論上對傳統兩路LLC諧振變換器直接并聯設計方案中，功率分配不均衡問題進行了簡單分析，提出一種全新的并聯結構形式，爭取達到自動均流效果，提高LLC變換器在實際應用中的綜合效果。