全橋LLC串聯(lián)諧振DC/DC變換器的研究

冷利軍

應(yīng)用研究

全橋LLC串聯(lián)諧振DC/DC變換器的研究

冷利軍

（武漢長(zhǎng)海高新技術(shù)有限公司，湖北武漢 430233）

針對(duì)車載充電機(jī)的DC/DC變換器電路，本文對(duì)全橋LLC串聯(lián)諧振DC/DC變換器進(jìn)行了研究。通過對(duì)全橋LLC串聯(lián)諧振電路數(shù)學(xué)模型的搭建，基于直流增益特性曲線設(shè)計(jì)其諧振網(wǎng)絡(luò)電路，最終通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)證明LLC串聯(lián)諧振變換器實(shí)現(xiàn)前級(jí)電路的ZVS和后級(jí)整流電路的ZCS，提升整機(jī)的效率，可達(dá)到96%。

直流增益 LLC串聯(lián)諧振 ZVS ZCS

0 引言

DC/DC變換器是車載充電機(jī)重要組成單元，高頻化、高功率密度和高效率是其發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的硬開關(guān)變換器限制了開關(guān)頻率和功率密度的提高，移相全橋PWM ZVS DC/DC變換器可以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)的ZVS，但是滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS的負(fù)載范圍較??；而且整流二極管存在反向恢復(fù)問題，這對(duì)二極管的反向應(yīng)力和整機(jī)效率不利；輸入電壓較高時(shí)，變換器效率較低，因此其不適合輸入電壓高和有掉電維持時(shí)間限制的高性能開關(guān)電源。LLC串聯(lián)諧振DC/DC變換器可以較好的解決移相全橋PWM ZVS DC/DC變換器存在的缺點(diǎn)。本文通過建立全橋LLC串聯(lián)諧振變換電路建立數(shù)學(xué)模型，基于LLC諧振變換器的增益特性曲線，提出了高效率的全橋LLC串聯(lián)諧振變換器的設(shè)計(jì)方法，對(duì)比實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)對(duì)LLC串聯(lián)諧振DC/DC進(jìn)行研究分析，最終研制出效率為96%的6.6 kW車載充電機(jī)。

1 全橋LLC串聯(lián)諧振的分析

圖1 LLC DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路

串聯(lián)諧振變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電感L和諧振電容C串聯(lián)構(gòu)成，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中U為AC/DC電路的輸出端，作為L(zhǎng)LC的輸入級(jí)。全橋逆變電路由MOS管Q1～ Q4組成，D1～D4與C1～C4為相應(yīng)MOS管的體二極管和寄生電容；諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電容C、諧振電感L（包含變壓器的漏感）、勵(lì)磁電感L構(gòu)成；變壓器復(fù)變二極管D5～D8組成全橋整流，C為濾波電容，為等效負(fù)載。

Q1～Q4采用雙脈沖觸發(fā)的方式，開關(guān)管Q1和Q4采用同一觸發(fā)信號(hào)，Q2和Q3采用同一觸發(fā)信號(hào)，且兩觸發(fā)信號(hào)互補(bǔ)導(dǎo)通，并且設(shè)有一定死區(qū)時(shí)間。諧振電容、諧振電感和勵(lì)磁電感間存在兩個(gè)諧振頻率：

一是諧振電容和諧振電感形成的最大諧振頻率：

二是諧振電感、勵(lì)磁電感和諧振電容三者形成的諧振頻率：

圖2 LLC諧振變換器主要波形

2 全橋LLC諧振變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)

LLC諧振變壓器是一種實(shí)用的軟開關(guān)直流變換器，本文應(yīng)用于車載充電機(jī)中的LLC諧振變換器是不調(diào)壓形式，采用固定頻率、固定占空比和開環(huán)處理的形式。通過對(duì)LLC變換器的直流特性分析可以了解參數(shù)λ和Q對(duì)直流特性的影響，可以選擇合適的頻率工作點(diǎn)，使得效率最大化；通過對(duì)阻抗特性的分析，可以得到變換參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

LLC諧振電路等效電路圖如圖3所示，圖中L為勵(lì)磁電感，L為諧振電感，C為諧振電容，R為耦合到一次測(cè)的等效電阻。

圖3 LLC等效電路圖

由圖可以求出諧振網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：

將上式取模。則可以得到變換器的歸一化直流增益為：

圖4 直流增益特性曲線

3 實(shí)驗(yàn)波形與分析

根據(jù)市場(chǎng)需求，研制6.6 kW車載充電機(jī)，AC/DC采用PFC-BOOST電路，DC/DC調(diào)壓通過BUCK電路，本文主要介紹高效率的LLC串聯(lián)諧振DC/DC隔離電路。

參數(shù)指標(biāo)為：輸入電壓：220 AC；輸出電壓：350-450 VDC；額定輸出電流：14.6 A。LLC變換器參數(shù)為：對(duì)稱全橋LLC變換器開關(guān)頻率為100 kHz，選用變壓器匝比=2，漏感20H，作為諧振電感L，勵(lì)磁電感L=320H，諧振電容C=220 nF。

圖5和圖6為400 VDC輸入，滿載輸出時(shí)的測(cè)試波形，圖7為不同電流等級(jí)下的效率曲線。圖5為Q1（Q4）的驅(qū)動(dòng)電壓波形、Q1（Q4）的漏源級(jí)DS電壓波形以及L電流波形。通過驅(qū)動(dòng)波形和Q1（Q4）的漏源級(jí)DS端電壓波形可以看出，當(dāng)Q1（Q4）驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來之前時(shí)，DS端電壓已經(jīng)降為0 V，實(shí)現(xiàn)了Q1（Q4）MOS管的零電壓開通，可以看出LLC諧振原邊電流接近標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，說明LLC諧振變換器工作在諧振頻率附近，在電流波形上出現(xiàn)一個(gè)小的平臺(tái)，這是因?yàn)閕Lr上的電流等于iLm上的電流，此時(shí)Lr、Lm和Cr三者一起諧振。

t：5μs/格 Ch1：Q1（Q4） Ugs，10V/格；Ch2：Q1(Q4) Uds，100V/格；Ch3：Ilr，5 A/格

圖6所示分別為Q1（Q4）的驅(qū)動(dòng)電壓波形、D5（D8）電流波形以及諧振電感L電流波形。通過L的電流波形可以看出，當(dāng)由L和C諧振轉(zhuǎn)為L、L和C諧振時(shí)（由正弦波轉(zhuǎn)為平臺(tái)時(shí)），整流橋的二極管D5 （D8）的電流降為零，當(dāng)諧振電路由LL和C重新回到L和C諧振時(shí)，二極管D6 （D7）準(zhǔn)備導(dǎo)通，由于在D6 （D7）導(dǎo)通時(shí)D5 （D8）的電流已經(jīng)降為零，同樣對(duì)D5（D8）導(dǎo)通時(shí)也存在同樣的特性，所以對(duì)輸出整流二極管而言不存在反向恢復(fù)問題，降低了二極管的開關(guān)應(yīng)力，減小了二極管的開關(guān)損耗。

t：5Cs/格 Ch1：Q1（Q4）Ugs，10 V/格；Ch2：D5 id，10A/格；Ch3：Ilr，5 A/格

橫軸：電流(A) 縱軸：效率(%)

圖7為在全橋LLC串聯(lián)諧振變換器回路中，輸入電壓400 VDC、輸出電壓：450 VDC，記錄不同的輸出電流時(shí)變換器的效率曲線。從效率曲線可以看出，在輸出滿載時(shí)，效率可達(dá)96%，在高壓小電流時(shí)，由于結(jié)電容不能完成充放電，管子開通時(shí)會(huì)出現(xiàn)震蕩，因此會(huì)有附加的開關(guān)損耗。

4 結(jié)論

本文主要介紹了全橋LLC串聯(lián)諧振變換器工作原理及特性，通過分析諧振網(wǎng)絡(luò)與直流增益的曲線關(guān)系，闡述諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)思路。通過原理性分析和試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證，LLC諧振電路設(shè)計(jì)思路的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，全橋LLC串聯(lián)諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的控制特性和高效率特性，能夠在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)達(dá)到高效率變換，非常適合寬輸入電壓范圍內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)合。

[1] 施玉祥, 柳緒丹, 鄧成, 徐德鴻. Boost-LLC高效率DC/DC變換器; 電力電子技術(shù)［J］. 2010, 44（08）: 24～26.

[2] 寧國(guó)云, 王怡華, 黃聲華, 韋忠朝. 基于TMS320F2806的兩級(jí)式DC/DC變換器. 電力電子技術(shù)[J]. 2011, 45（05）: 29～31.

[3] 蔡磊, 尹國(guó)棟, 柯忠偉, 章進(jìn)法, 孫嬌俊. 一種新穎的滿足鉑金版效率要求的功率架構(gòu). 電源學(xué)報(bào)［J］, 2013, 03（05）: 101～106.

[4] Ye Y Q, Yan C, Zeng J H, and Ying J P. A current limit method for LLC-SRC. in Proc. DPEC (Delta Power Electronics Center) Seminar 2007, paper S3.2.

[5] Lu B, Liu W D, Xiong A M, Liang Y, Lee F C and van Wyk JD. Optimal design methodology for LLC resonant converter. 2006 APEC, Twenty -First Annual.

[6] 李小兵, 李曉帆, 吳軍輝. 一種新型零電壓零電流開關(guān)三電平DC_DC變換器的研究. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)［J］. 2006, 26（02）: 69～74.

[7] 李小兵, 李曉帆, 熊招春, 宮力; 一種新型半橋零電流諧振變換器的研究［J］. 電力電子技術(shù), 2006, 40（04）: 59～62.

Study on Full-bridge LLC Series Resonant DC/DC Converter

Leng Lijun

(Wuhan Great Sea High Technology Co.,Ltd, Wuhan 430233, China)

TM46

A

1003-4862（2021）09-0023-04

2020-12-14

冷利軍（1987-），男，碩士。研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)。E-mail：lenglijun007@163.com.