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 數理與信息工程學院，浙江 金華321004）

從技術上看，幾十年來電力電子技術水平不斷提高的主要標志是高頻化、高效率和高功率密度等[1]。為了增加功率密度，必須實現高頻化，即提高開關頻率，但又要同時提高變換器的效率，就必須減小開關損耗，諧振變換器正是由于其開關損耗小等優點得到了廣泛的應用。LLC諧振變換器理論上可實現初級開關管零電壓開通(ZVS)，且關斷電流較小，次級整流管可實現零電流開斷(ZCS)的特點[2]，它既吸取串聯諧振變換器諧振槽路電流隨負載輕重而變化、輕載時效率較高的優點，又兼具并聯諧振變換器在空載下也能穩定工作的特點。因此，LLC諧振變換器是一種比較理想的諧振變換器拓撲，對其進行研究具有重要的理論意義和實用價值[3]。

1 原理概述

半橋LLC諧振變換器拓撲結構如圖1所示，諧振回路由諧振電感 Ls(串聯電感)、勵磁電感 Lp（并聯電感)以及一個諧振電容Cs串聯組成，變換器由該三元件組成，也由此而得名。

圖1 半橋LLC諧振變換器拓撲結構

半橋LLC諧振變換器在一個周期內可以分為6個工作模式，其中iLs為串聯諧振電流，iLp為并聯電感電流。

工作模式 1(t0~tl)：t0時刻，諧振電感電流 iLs給開關管S1的寄生電容放電，S1的漏源電壓開始下降，當降到零時，S1的體二極管Ds1開始導通，為S1的零電壓開通提供了條件。此模式下整流二極管D1導通，并聯電感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時刻，S1零電壓開通。此時 Lp仍不參與諧振，其上的電流 iLs線性上升，在t2時刻達到了峰值，iLs按正弦波規律增加。次級二極管仍是D1導通，流過 D1的電流是 iLs和 iLp之差。t2時刻，iLs=iLp，D1電流為0，副邊二極管零電流關斷。

工作模式 3(t2~t3)：t2時刻 D1關斷后，輸出側與諧振網絡完全分開，輸出電感給負載供電。此模式下Lp也以并聯諧振頻率參與諧振，iLs=iLp，到t3時刻S1以較小的電流關斷。

下半個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管S1和S2都實現了零電壓開通，次級整流二極管都實現了零電流關斷，開關損耗很小，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，要實現真正的軟開關[4]，達到最低開關損耗，需要建立等效模型，分析設計各參數才能獲得。由于開關管是上下互補導通的，所以在諧振網絡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與實際負載的關系為：

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式：

從式(6)可看出影響直流增益的參數有比例系數K、串聯諧振品質因數Q、變壓器匝比n等，由于各參數之間關系復雜，相互影響，所以本文在分析時先固定其他幾個，只變動一個參數來觀察其對變換器的影響。

2.1 品質因數Q對變換器的影響

固定K和n值，分析Q值對變換器的影響。圖3是用Matlab軟件給出的在K=3、n=31時不同 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，增益最大，要使輸出電壓恒定，必須增加開關頻率；在滿載時，增益最小，需要減小開關頻率來維持輸出穩定。由于開關頻率在fp和fs之間時諧振網絡呈感性，有利于開關管的零電壓開通和二極管的零電流關斷，所以設計一個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K對變換器的影響

圖3 K=3，n=31時變換器的直流增益曲線

圖4 Q=0.3，n=31時變換器的直流增益曲線

2.3 匝比n對變換器的影響

3 參數選取及仿真驗證

圖5 滿載正常工作時仿真波形

本文以192 W的電源為例，設計的輸入電壓Vin為400 V，輸出為24 V/8 A。根據上面的理論分析和實際經驗，本文取K和Q的值分別為5和0.4，變壓器匝比為36：4：4， 此時經計算得出 Cs=20 nF，Ls=127 μH，Lp=635 μH，開關頻率設為 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的仿真結果，其中Vds為開關管漏源兩級電壓，Vgs為柵源兩級電壓，iLs、iLp分別為諧振電感和勵磁電感兩端電流，iD1、iD2為次級二極管電流。從圖5可看出開關管能零電壓開通和零電流關斷，實現了真正的軟開關。當改變K的取值，取K=10(Lp=260 μH)時，仿真結果如圖6所示，此時開關管零電壓開關和零電流關斷不明顯了，次級二極管電流也有了一定畸變，此時不能得到真正的軟開關，仿真結果與上面的分析相符。

實驗證明，通過對變換器建立基波等效模型并分析各參數對變換器的影響,從而選取合適的變換器參數 ,能有效優化變換器工作性能 ,使半橋 LLC諧振變換器開關器件實現零電壓開通和零電流關斷，將開關損耗降到最低。

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

[2]陳偉，王志強.半橋LLC諧振變換器穩態建模及分析[J].通信電源技術，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.軟開關電源原理與應用(第一版)[M].北京：電子工業出版社，2006：4-8.

[5]鄭君里，應啟珩，楊為理.信號與系統(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諧振變換器開發與設計中的應用[J].通信電源技術，2008，25(2)：74-77.