基于磁集成的LLC諧振變換器設(shè)計(jì)

康亞東，尹　斌，　孫維廣，　李尹泉(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京210098)

基于磁集成的LLC諧振變換器設(shè)計(jì)

康亞東，尹斌，孫維廣，李尹泉
(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京210098)

介紹了LLC型諧振變換器的主電路結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了基于最優(yōu)轉(zhuǎn)換效率的LLC諧振變換器諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，并應(yīng)用無(wú)源集成技術(shù)，將諧振參數(shù)及變壓器集成在同一個(gè)磁芯上，通過對(duì)比磁性元件集成通用結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出磁集成的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了一臺(tái)工作頻率80 kHz、功率為440 W的變換器，通過仿真軟件Saber驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性。

LLC；磁集成；參數(shù)設(shè)計(jì)

相對(duì)于傳統(tǒng)硬開關(guān)PWM變換器，采用軟開關(guān)技術(shù)的LLC諧振變換器有很多優(yōu)點(diǎn)，而且LLC諧振變換器具有原邊開關(guān)管易實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的零電壓開關(guān)(ZVS)，次級(jí)二極管易實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)(ZCS)。但是軟開關(guān)變換器隨著工作頻率的提高，開關(guān)損耗也在增大，在減小開關(guān)損耗的同時(shí)，由于增加了諧振電感會(huì)使變換器的體積和質(zhì)量增加，通態(tài)損耗也相應(yīng)增加。所以基于最優(yōu)效率優(yōu)化的參數(shù)設(shè)計(jì)越來(lái)越重要，同時(shí)諧振電感和變壓器易實(shí)現(xiàn)磁性元件的集成，為解決此問題可以采用磁集成技術(shù)將變換器中多個(gè)分立的磁件集成在一起，可以有效地減小磁件數(shù)量和變換器的體積和質(zhì)量。有關(guān)LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)方法已有研究[1]，關(guān)于參數(shù)效率優(yōu)化及采用磁集成技術(shù)[2-3]的研究越來(lái)越受到人們的重視。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

半橋式LLC諧振變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和交流等效電路如圖1所示，變壓器等效模型如圖1(a)虛線框諧振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)結(jié)構(gòu)所示，LLC諧振變換器可以工作在三種工作模式，當(dāng)工作在諧振頻率時(shí)，諧振電流近似為正弦波。在一個(gè)周期內(nèi)，諧振電流對(duì)Lm進(jìn)行充放電，勵(lì)磁電感電流近似為三角波。忽略開關(guān)管死區(qū)時(shí)間，通過交替驅(qū)動(dòng)占空比均為50％的功率管，使方

其有效值為：

式中：f為開關(guān)頻率。

考慮到變壓器匝比n=Np/Ns，折算到初級(jí)的等效負(fù)載電阻為：

最后得到LLC諧振變換器的交流等效圖，如圖1(b)所示。

圖1　變換器主電路及交流等效電路

令：

則：

輸出電壓Vo與Vs1的比值為：

式中：k=Lm/Lr。

由式(6)得到增益模量M的波形如圖2所示，由圖可見所有增益曲線均經(jīng)過點(diǎn) (1,1)，即在諧振頻率f=fr增益為1，LLC增益特性幾乎獨(dú)立于負(fù)載。LLC諧振變換器的輸入輸出電壓增益M隨頻率變化而變化。隨著負(fù)載增大(即QL值減小)，特性曲線峰值所對(duì)應(yīng)的頻率逐漸增大。從圖中可以看出，當(dāng)QL=2或更大時(shí)，增益曲線上依然有較高的諧振峰值和較好的選擇性，因此可以實(shí)現(xiàn)空載運(yùn)行。在諧振頻率f=fr處即時(shí)，增益恒為1，獨(dú)立于負(fù)載。此時(shí)負(fù)載的變化范圍理論上可以從空載到滿載變化，而且效率最高且輸出電壓保持恒定不變。利用這一特性，本文設(shè)計(jì)固定開關(guān)頻率的半橋式LLC諧振變換器電路。

圖2　LLC電壓增益特性曲線

變換器損耗[4-5]為：其中，效率為：

由式(7)可看出效率隨QL變化，得到效率隨負(fù)載變化的關(guān)系。當(dāng)負(fù)載從輕載變化到滿載時(shí)即QL從0變化到5，電路諧振頻率不變，效率可達(dá)93％以上。

由式(4)、(5)、(6)推導(dǎo)出變換器諧振參數(shù)與開關(guān)頻率和負(fù)載大小的關(guān)系式為：

2 變壓器磁集成設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[6]提出了一種EE型磁芯四繞組集成的通用結(jié)構(gòu)，這里采用標(biāo)準(zhǔn)的EE型磁芯，在兩個(gè)側(cè)柱上各有一個(gè)繞組，磁芯的各個(gè)磁柱上開氣隙且側(cè)柱氣隙小于中柱氣隙，構(gòu)成穩(wěn)定的集成結(jié)構(gòu)。

與磁集成通用結(jié)構(gòu)對(duì)比，通過類比可得到變壓器磁路等效電路如圖3所示。

圖3　LLC變換器的磁路等效電路

通過對(duì)LLC諧振變換器的工作過程分析可知，變壓器具有兩種工作模式：(1)并聯(lián)諧振電感不參與諧振，變壓器向副邊傳遞能量，此時(shí)并聯(lián)諧振電感被輸出電壓鉗位；(2)并聯(lián)諧振電感參與諧振，此時(shí)變壓器不向副邊傳遞能量，如圖4所示。

圖4　變換器的工作模式等效電路

分析以上兩種工作模式可得如下關(guān)系：

最終得到等效電路如圖5所示。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例與仿真

根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)一個(gè)2 A/220 V(440 W)輸出的半橋式LLC諧振變換器。輸入電壓為540 V(500～600 V)，諧振頻率設(shè)為80 kHz。根據(jù)最大最小增益和傳輸效率綜合考慮選取：K=Lm/Lr=5，變壓器匝數(shù)比：n=Np/Ns=Vin·nom/2(Vo+VD)=1.22，實(shí)際選取匝數(shù)比為22/18，諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)由式(9)、式(10)求得：Lm=265.491 1 μH，Cr=74.538 4 nF，Lr=53.098 2 μH，通過標(biāo)稱電容組合實(shí)際選取為：Cr=74.5 nF，Lr=53.13 μH，Lm=265.65 μH。變壓器設(shè)計(jì)采用AP法[6]選擇EE55的鐵氧體磁芯，令L1=L2，可以得到以下方程：N1=24，N2=18。

采用電源仿真軟件Saber對(duì)LLC半橋式諧振變換器滿載和空載進(jìn)行仿真，由圖6可以看出，從空載到滿載原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS，次級(jí)二極管實(shí)現(xiàn)了ZCS。

圖5　磁集成等效電路

圖6　LLC諧振變換器滿載和空載時(shí)的波形

額定輸入電壓下樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)波形如圖7、圖8、圖9所示。

由實(shí)驗(yàn)波形可以看出，無(wú)論輕載還是滿載，電路中主開關(guān)管的軟開關(guān)特性良好，電路的主要電流、電壓波形與理論分析一致，而且輸出電壓基本穩(wěn)定在220 V附近，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，證實(shí)了本文設(shè)計(jì)方法的有效性。

LLC樣機(jī)在額定輸出電壓下由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的負(fù)載特性曲線如圖10所示。可以看出LLC諧振變換器的效率隨著輸出電流的增大而逐漸提高，在滿載時(shí)效率達(dá)到最高。當(dāng)變換器工作在輕載情況下，依然有較高的效率。在輸入電壓及輸出負(fù)載范圍內(nèi)，實(shí)際測(cè)得變換器效率達(dá)到93％以上。

圖7　滿載和空載時(shí)Q1的Vgs和Vds波形(橫軸5 μs/格，Vgs縱軸50 V/格，Vds縱軸10 V/格)

圖8　　額定輸入時(shí)Cr電壓波形(橫軸5 μs/格，縱軸50 V/格)

圖9　　半載時(shí)變壓器原邊電壓波形(橫軸5 μs/格，縱軸50 V/格)

圖10　額定輸出電壓時(shí)效率負(fù)載特性曲線

4 結(jié)論

本文基于最優(yōu)轉(zhuǎn)換效率描述了半橋LLC諧振變換器的模型，推導(dǎo)出LLC諧振變換器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，并采用磁集成技術(shù)依據(jù)本文參數(shù)公式設(shè)計(jì)了一款半橋LLC諧振變換器，有效減少了器件的數(shù)量。該變換器工作在諧振頻率，可實(shí)現(xiàn)ZVS 和ZCS，最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95％，證明了該設(shè)計(jì)方案的有效性和實(shí)用性。

[1]LU B，LIU W D，LIANG Y，et al．Optimal design methodology for LLC resonant converter[C]//Proceedings of Annual Applied Power Electronics Conference.Dallas，USA:Annual Applied Power Electronics Conference,2006．

[2]邢勇.LLC諧振變換器中平面無(wú)源集成結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[D].葫蘆島：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

[3]陳乾宏.開關(guān)電源中磁集成技術(shù)的應(yīng)用研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2001.

[4]王鎮(zhèn)道，趙亞魁，章兢，等.LLC半橋式諧振變換器參數(shù)模型與設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，12(12):53-54．

[5] 馬皓，祈豐.一種改進(jìn)的LLC變換器諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)電機(jī)工程報(bào),2008,28(33):6-11.

[6]YANG B,CHEN R G,LEE F C.Integrated magnetic for LLC resonant converter[J].IEEE,2002(5):346-351.

Design of LLC resonant converter based on magnetic integration

KANG Ya-dong,YIN Bin,SUN Wei-guang,LI Yin-quan
(College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing Jiangsu 210098,China)

Introduction was made to the structure of main circuit and the working principle of the LLC resonant converter.A detailed resonant network parameters design process for LLC resonant converter was given on the basis of the best conversion efficiency.And passive integration technology was applied to integrated its resonant parameters and transformer on the same core.By contrast with the general structure of Integrated Magnetics,the integrated magnetic structure was derived.Making use of the introduced design method,a 440W converter working 80kHz was designed,the rationality of design was validated by simulation software-Saber.The correctness and effectiveness of the design flow were verified.

LLC;magnetic integration;parameter design

TM 46

A

1002-087 X(2016)01-0195-04

2015-06-12

康亞東(1987—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。波發(fā)生器產(chǎn)生方波電壓Vs，那么諧振電路的輸入信號(hào)為0～Vs的方波。方波發(fā)生器橋臂中點(diǎn)的電壓在前半個(gè)周期0～T/2時(shí)為Vin，在后半個(gè)周期T/2～T時(shí)為0。則諧振網(wǎng)絡(luò)端輸入方波電壓Vs的基波分量可描述為：