全橋LLC諧振變換器研究

凌雁波

摘 要：對于大功率的二次電源而言，全橋LLC諧振變換器因其具有低應力、高效率、低電磁輻射等優勢特點，在目前已經成為研究領域的重點內容，但是，由于全橋LLC諧振變換器的工作特性和可靠性對負載條件以及工作頻率所在的區間具有較高的敏感性，要是諧振腔參數設計不合理時，由于輸入電壓較低、負載由空載向滿載切換過程出現容性開關的問題，甚至燒毀變換器。因此，為了有效的提高全橋LLC諧振變換器的可靠性，文章對其進行了分析研究。

關鍵詞：全橋；LLC諧振變換器；空載特性；效率

中圖分類號：TM461 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）21-0005-02

在我國社會經濟實現飛速發展的現階段，電力電子技術也隨之實現了較大程度發展，以功率半導體器件為核心的開關電源技術廣泛應用，對于線性電源時代一直困擾人們的體積問題實現了有效解決。諧振型變換器實際上是一種軟開關類型，通過對電路諧振的利用，使得開關元件在電壓或電流為零時候的導通和關斷，能夠有效的降低開關的損耗。全橋LLC諧振變換器憑借自身所具有的高頻率、高效率、高功率密度等特點在通信、電氣等領域已經實現了廣泛的應用。

1 全橋LLC諧振變換器工作原理

1.1 fs>f1下的變換器能量傳輸

當fs>f1的時候，全橋LLC諧振變換器的輕載波形，如圖1所示，其在一個開關周期當中的模態過程呈對稱性，因此只需要對半個開關周期內的模態進行研究，主要包括了以下六種模態。

模態1：S1與S3開始導通，諧振腔電流的相位與電壓相比要相對滯后，此時的電流方向為負，且經反向流過開關管實現續流，由于受到寄生二極管的鉗位作用，開關實現零電壓導通。

模態2：開關管保持導通狀態，諧振電流的方向未發生改變，電路經反向流過開關管，S1和S3進行續流。

模態3：諧振電流Ir呈現反向，開始經由正向流過開關管；勵磁電流的方向保持不變，由勵磁電感和諧振電流共同向負載進行供電。

模態4：勵磁電感電流ILm的方向與勵磁電流相同，電路仍在第一諧振頻率的條件下進行工作；當模態結束時，諧振電流Ir與勵磁電流ILm相等，繼而實現零電流關斷。

模態5：諧振電流Ir與勵磁電流ILm呈正方向，且保持等大。

模態6：全部開關管實現關斷，電路呈現死區狀態，諧振電對四只開關管的寄生電容中的能量進行轉移，使得諧振腔的輸入電壓變為-UDC，此時電流通過寄生二極管實現續流。

1.2 f2

當全橋LCC諧振變換器的工作頻率滿足f2

模態1：S1、S3開始導通，與電壓相比較而言，諧振腔電流Ir相位要較為滯后，電流方向為負，諧振腔電流Ir反向流過S1、S3實現續流，且由勵磁電感Lm提供負載端能量。

模態2：開關管保持導通狀態，諧振電流Ir方向為正，S1、S3內部開始流過電流，由母線和勵磁電感共同提供負載端能量，此時的諧振頻率為f1。

模態3：電路在f1下進行工作，勵磁電流ILm的方向為正；當該模態結束時，諧振電流減小至與勵磁電流相等。

模態4：諧振電流Ir和勵磁電流ILm為等大同向，變壓器原端電流為0，副端整流二極管D5實現零電流關斷，由輸出電容Co提供負載能量。

模態5：開關管全部關斷，電路呈死區狀態；在諧振電流Ir的作用下，四只開關管的寄生電容開始對其中的能量進行相互轉移和交換，諧振電流通過寄生二極管實現續流。

1.3 fs=f1下的變換器能量傳輸

fs=f1下的全橋LLC諧振變換器的輕載波形示意圖，如圖3所示。由于全橋LLC諧振變換器的輸出特性和波形與負載條件不具有關聯性，因此fs=f1下的波形與f2

2 全橋LLC諧振變換器的特性分析

2.1 頻率特性

當電感歸一化量K值逐漸增大的時候，全橋LCC諧振變換器的直流增益曲線就會變得越來越緩慢，輸入電壓和輸出電壓的范圍也會隨之變小，當輸入的電壓較低的情況下，輸出電壓就無法調節到實際需要的恒定值。

當諧振頻率fr保持不變的時候，電感歸一化量K會變小，勵磁電感Lm也會隨之減小，流經的電流會變大，這種情況會使得電感上的損耗出現較大程度的增加，對變換器的傳輸效率產生影響。

因此，在對K值進行選取的時候不能太大也不能太小。而且，在開關頻率歸一化量fn逐漸增大的情況下，全橋LLC諧振變換器的增益會出現逐漸減小的現象，當變換器處于輕載或空載的時候，為了維持輸出電壓的穩定性，應該適當的增加變換器的開關頻率；當變換器處于重載的時候，則應該適當的減小變換器的開關頻率。

2.2 頻率特性

對全橋LCC諧振變換器的直流輸出增益表達式進行分析，發現當變換器的開關頻率f較大程度的大于諧振頻率fr的時候，此時的諧振電容幾乎不會起到任何的作用，且變換器的等效電路會出現一定的變化。為了保持輸出的穩定性，開關頻率f則會出現一定幅度的增加，在這種情況之下，變換器的直流增益也會隨之逐漸趨向于一個固定值，說明其輸出電壓是可以進行調節的。

另一方面，當開關頻率f向無窮大進行增加的時候，此時的直流增益將會變成一個常量，此時的變換器輸出電壓是不可調節的。

另外，在空載的狀態之下，在變換器中變壓器副邊流經的電流幾乎為零，耦合到原邊的電流也會變得很小，諧振電流變小，直接導致開關管寄生電容充放電的電流變小，使得寄生電容的充放電時間邊長。

2.3 短路特性

在對全橋LCC諧振變換器的工作原理進行分析研究之后，發現全橋LLC諧振變換器在短路狀態進行工作的時候，其輸出的電阻接近為零，此時的電路品質因數Q會接近無窮大，由此可知，在全橋LCC諧振變換器的輸出電阻逐漸減小的情況下，其輸出電流會逐漸增大；當工作頻率與諧振頻率相等（fn=1）的時候，其輸出電流會達到最大值；當fn>1時，全橋LCC諧振變換器的輸出電流會隨著工作頻率的增加而減小。

因此，在短路狀態下，為了保證全橋LCC諧振變換器的運行安全，可以采取適當增加工作頻率的方式對輸出電流的大小實現控制。

3 結 語

綜上所述，本文對全橋LLC諧振變換器的工作原理、特性和設計等方面進行了分析研究，得到以下結論：

①經全橋LLC諧振變換器的啟動過程分析，得到了變換器等效啟動電路，進行暫態研究后得出全橋LLC諧振變換器的安全啟動頻率區間為fs>f1。

②對全橋LLC諧振變換器的結構特點進行了探究，發現諧振腔中勵磁電感的取值會對變換器的效率產生一定的影響，且諧振電感值與勵磁電感值的比值也會對變換器的工作頻率范圍產生較大的影響。

③由于全橋LLC諧振變換器的工作特性，使得開關的實際損耗較小，在對其進行設計的時候，可以將同步整流電路應用到其中，能夠顯著的提高變換器的效率。

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