半橋LLC諧振變換器的建模及仿真研究*

吳張勇，陳小鵬，于建閣，齊立鵬

（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華321004）

從技術(shù)上看，幾十年來電力電子技術(shù)水平不斷提高的主要標(biāo)志是高頻化、高效率和高功率密度等[1]。為了增加功率密度，必須實(shí)現(xiàn)高頻化，即提高開關(guān)頻率，但又要同時(shí)提高變換器的效率，就必須減小開關(guān)損耗，諧振變換器正是由于其開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。LLC諧振變換器理論上可實(shí)現(xiàn)初級(jí)開關(guān)管零電壓開通(ZVS)，且關(guān)斷電流較小，次級(jí)整流管可實(shí)現(xiàn)零電流開斷(ZCS)的特點(diǎn)[2]，它既吸取串聯(lián)諧振變換器諧振槽路電流隨負(fù)載輕重而變化、輕載時(shí)效率較高的優(yōu)點(diǎn)，又兼具并聯(lián)諧振變換器在空載下也能穩(wěn)定工作的特點(diǎn)。因此，LLC諧振變換器是一種比較理想的諧振變換器拓?fù)?，?duì)其進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值[3]。

1 原理概述

半橋LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，諧振回路由諧振電感 Ls(串聯(lián)電感)、勵(lì)磁電感 Lp（并聯(lián)電感)以及一個(gè)諧振電容Cs串聯(lián)組成，變換器由該三元件組成，也由此而得名。

圖1 半橋LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

半橋LLC諧振變換器在一個(gè)周期內(nèi)可以分為6個(gè)工作模式，其中iLs為串聯(lián)諧振電流，iLp為并聯(lián)電感電流。

工作模式 1(t0~tl)：t0時(shí)刻，諧振電感電流 iLs給開關(guān)管S1的寄生電容放電，S1的漏源電壓開始下降，當(dāng)降到零時(shí)，S1的體二極管Ds1開始導(dǎo)通，為S1的零電壓開通提供了條件。此模式下整流二極管D1導(dǎo)通，并聯(lián)電感Lp上的電壓被變壓器鉗位在n倍輸出電壓上，其中n為變換器匝比，因此只有Ls和Cs參與諧振。

工作模式 2(tl~t2)：t1時(shí)刻，S1零電壓開通。此時(shí) Lp仍不參與諧振，其上的電流 iLs線性上升，在t2時(shí)刻達(dá)到了峰值，iLs按正弦波規(guī)律增加。次級(jí)二極管仍是D1導(dǎo)通，流過 D1的電流是 iLs和 iLp之差。t2時(shí)刻，iLs=iLp，D1電流為0，副邊二極管零電流關(guān)斷。

工作模式 3(t2~t3)：t2時(shí)刻 D1關(guān)斷后，輸出側(cè)與諧振網(wǎng)絡(luò)完全分開，輸出電感給負(fù)載供電。此模式下Lp也以并聯(lián)諧振頻率參與諧振，iLs=iLp，到t3時(shí)刻S1以較小的電流關(guān)斷。

下半個(gè)工作周期和上面的工作過程相似，只是方向相反。從上面的分析可看出開關(guān)管S1和S2都實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，次級(jí)整流二極管都實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，開關(guān)損耗很小，具有極高的效率。

2 等效模型的建立和分析

上面的分析都是純理論的，要實(shí)現(xiàn)真正的軟開關(guān)[4]，達(dá)到最低開關(guān)損耗，需要建立等效模型，分析設(shè)計(jì)各參數(shù)才能獲得。由于開關(guān)管是上下互補(bǔ)導(dǎo)通的，所以在諧振網(wǎng)絡(luò)的左邊得到一方波電壓，而從變壓器副邊折算到也同樣為一方波電壓，由此用基波等效模型來研究LLC諧振變換器的輸入輸出特性。圖2為LLC諧振變換器的基波等效電路。

圖2 LLC諧振變換器基波等效電路

其中，Rac與實(shí)際負(fù)載的關(guān)系為：

由式（2）可得輸入方波電壓基波有效值：

同理可得輸出方波電壓基波有效值：

所以直流增益：

變換上面式子可得直流增益表達(dá)式：

從式(6)可看出影響直流增益的參數(shù)有比例系數(shù)K、串聯(lián)諧振品質(zhì)因數(shù)Q、變壓器匝比n等，由于各參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜，相互影響，所以本文在分析時(shí)先固定其他幾個(gè)，只變動(dòng)一個(gè)參數(shù)來觀察其對(duì)變換器的影響。

2.1 品質(zhì)因數(shù)Q對(duì)變換器的影響

固定K和n值，分析Q值對(duì)變換器的影響。圖3是用Matlab軟件給出的在K=3、n=31時(shí)不同 Q值下直流增益Gdc隨歸一化頻率fn=f/fs的變化曲線。從圖中可看出，Q值越大增益曲線的最大增益越小，即在變壓器空載時(shí)，增益最大，要使輸出電壓恒定，必須增加開關(guān)頻率；在滿載時(shí)，增益最小，需要減小開關(guān)頻率來維持輸出穩(wěn)定。由于開關(guān)頻率在fp和fs之間時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)呈感性，有利于開關(guān)管的零電壓開通和二極管的零電流關(guān)斷，所以設(shè)計(jì)一個(gè)在滿載情況下滿足變換器增益要求的Q值即可滿足其他情況的要求。

2.2 比例系數(shù)K對(duì)變換器的影響

圖3 K=3，n=31時(shí)變換器的直流增益曲線

圖4 Q=0.3，n=31時(shí)變換器的直流增益曲線

2.3 匝比n對(duì)變換器的影響

3 參數(shù)選取及仿真驗(yàn)證

圖5 滿載正常工作時(shí)仿真波形

本文以192 W的電源為例，設(shè)計(jì)的輸入電壓Vin為400 V，輸出為24 V/8 A。根據(jù)上面的理論分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本文取K和Q的值分別為5和0.4，變壓器匝比為36：4：4， 此時(shí)經(jīng)計(jì)算得出 Cs=20 nF，Ls=127 μH，Lp=635 μH，開關(guān)頻率設(shè)為 99 kHz，用 Saber軟件[6]畫出了其仿真電路，圖5為其正常工作滿載時(shí)的仿真結(jié)果，其中Vds為開關(guān)管漏源兩級(jí)電壓，Vgs為柵源兩級(jí)電壓，iLs、iLp分別為諧振電感和勵(lì)磁電感兩端電流，iD1、iD2為次級(jí)二極管電流。從圖5可看出開關(guān)管能零電壓開通和零電流關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了真正的軟開關(guān)。當(dāng)改變K的取值，取K=10(Lp=260 μH)時(shí)，仿真結(jié)果如圖6所示，此時(shí)開關(guān)管零電壓開關(guān)和零電流關(guān)斷不明顯了，次級(jí)二極管電流也有了一定畸變，此時(shí)不能得到真正的軟開關(guān)，仿真結(jié)果與上面的分析相符。

實(shí)驗(yàn)證明，通過對(duì)變換器建立基波等效模型并分析各參數(shù)對(duì)變換器的影響,從而選取合適的變換器參數(shù) ,能有效優(yōu)化變換器工作性能 ,使半橋 LLC諧振變換器開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)零電壓開通和零電流關(guān)斷，將開關(guān)損耗降到最低。

[1]朱建華，羅方林.功率諧振變換器及其發(fā)展方向[J].電工電能新技術(shù)，2004，23(1)：55-59.

[2]陳偉，王志強(qiáng).半橋LLC諧振變換器穩(wěn)態(tài)建模及分析[J].通信電源技術(shù)，2008，25（4）：17-19.

[3]YANG B，LEE F C，ZHANG A J，et al.LLC resonant converter for front end DC/DC conversion[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition，APEC 2002，2：1108-1112.

[4]王增福，李昶，魏永明.軟開關(guān)電源原理與應(yīng)用(第一版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：4-8.

[5]鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理.信號(hào)與系統(tǒng)(第二版)[M].北京：高等教育出版社，2009：88-157.

[6]黃志武，秦惠.SABER仿真在LLC諧振變換器開發(fā)與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù)，2008，25(2)：74-77.