半橋型LLC變換器穩(wěn)態(tài)建模與參數(shù)設(shè)計

李尹泉，尹 斌，康亞東

（河海大學(xué) 能源電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

諧振變換器相對PWM變換器，具有開關(guān)工作頻率高、開關(guān)損耗小、允許輸入電壓范圍寬、效率高、重量輕、體積小、EMI噪聲小、開關(guān)應(yīng)力小等優(yōu)點。LLC諧振變換器具有原邊開關(guān)管易實現(xiàn)全負載范圍內(nèi)的ZVS，次級二極管易實現(xiàn)ZCS，諧振電感和變壓器易實現(xiàn)磁性元件的集成，以及輸入電壓范圍寬等優(yōu)點，得到了廣泛的關(guān)注。本文介紹了半橋型LLC諧振變換器諧振網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)模型，并給出了參數(shù)設(shè)計方法，最后通過仿真分析了設(shè)計方法的正確性。

1 LLC諧振變換器電路拓撲及其工作原理

半橋型LLC諧振變換器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用存在固定死區(qū)時間的50%占空比互補驅(qū)動來變頻工作。諧振網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性。由于LLC諧振電路存在諧振電感和，因此電路有兩個諧振頻率。

2 穩(wěn)態(tài)建模分析

LLC諧振變換器的開關(guān)管以占空比為0.5的互補方式開通，諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓是幅值Vbus的方波，傅里葉級數(shù)展開式：

圖1 LLC諧振變換器的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of LLC resonant converter

由于諧振網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于選頻網(wǎng)絡(luò)，只有Vs（t）的基波分量經(jīng)諧振網(wǎng)絡(luò)傳送到負載側(cè)[1]。LLC電路工作在零電壓區(qū)域，輸入基波電流 ir1（t）要滯后于輸入基波電壓 Vs1（t）一定相位，因此輸入基波電流ir1（t）可表示為：

全波整流的輸入電壓是幅值為Vo的方波，相位與輸入電流相位以及諧振電流相位一致。全波整流的輸入電壓傅里葉級數(shù)展開為：

副邊全波整流電路的輸入電流基波分量可以表示為：

式中，Irect1（t）為整流電路輸入電流基波分量有效值。輸出平均電流為：

從而，可得負載電阻換算到初級的等效電Req阻為：

可以得到諧振網(wǎng)絡(luò)電路等效，如圖2所示。

圖2 等效諧振網(wǎng)絡(luò)Fig.2 The equal circuit of resonance

由圖2可以得出諧振變換器的傳遞函數(shù)：

使用MathCAD[2]軟件繪出諧振網(wǎng)絡(luò)的直流增益特性曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 不同 值下的直流增益特性曲線（n=0.9，Q=0.5）Fig.3 Different gain curve under different Q

圖4 k變化時直流增益曲線（n=0.9，Q=0.32）Fig.4 Different gain curve under different k

3 主電路元件參數(shù)計算

輸出功率：Po=200 W；最大輸入電壓：Vbus_max=412 V；最小輸入電壓：Vbus_min=360 V；額定輸入電壓：Vbus_mormal=360 V；輸出電壓電流：Vo=22 V，Io=0.9 A；輸出二極管電壓壓降：Vof=1.2 V；諧振頻率：fr=200 kHz，最高頻率fmax=250 kHz。

1）計算理論變壓器匝數(shù)比N[3-6]：

選擇實際變比：N=0.9

2）計算最高、最低輸入電壓增益 Mmin、Mmax：

3）最大歸一化頻率

4）選取k計算Q：

4 Saber仿真結(jié)果

為驗證半橋型LLC參數(shù)選擇的有效性，建立了基Saber的仿真模型。仿真結(jié)果如圖所示。

圖5 滿載Fig.5 Full load

圖6 空載Fig.6 Empty load

圖5 是滿載時相關(guān)波形，圖6是空載時相關(guān)波形。由圖可以看出，從空載到滿載原邊開關(guān)管實現(xiàn)了ZVS，次級二極管實現(xiàn)了ZCS。

5 結(jié) 論

文中通過基波分析法，對半橋型LLC諧振變換器進行了穩(wěn)態(tài)建模分析，并給出了半橋型LLC的參數(shù)設(shè)計方法。最后通過Saber仿真驗證了開關(guān)管在所選參數(shù)下實現(xiàn)了ZVS，二極管實現(xiàn)了ZCS，所選參數(shù)的合理性。

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