全橋LLC串聯諧振DC/DC變換器的研究

冷利軍

應用研究

全橋LLC串聯諧振DC/DC變換器的研究

冷利軍

（武漢長海高新技術有限公司，湖北武漢 430233）

針對車載充電機的DC/DC變換器電路，本文對全橋LLC串聯諧振DC/DC變換器進行了研究。通過對全橋LLC串聯諧振電路數學模型的搭建，基于直流增益特性曲線設計其諧振網絡電路，最終通過實驗樣機證明LLC串聯諧振變換器實現前級電路的ZVS和后級整流電路的ZCS，提升整機的效率，可達到96%。

直流增益 LLC串聯諧振 ZVS ZCS

0 引言

DC/DC變換器是車載充電機重要組成單元，高頻化、高功率密度和高效率是其發展趨勢。傳統的硬開關變換器限制了開關頻率和功率密度的提高，移相全橋PWM ZVS DC/DC變換器可以實現主開關的ZVS，但是滯后橋臂實現ZVS的負載范圍較?。欢艺鞫O管存在反向恢復問題，這對二極管的反向應力和整機效率不利；輸入電壓較高時，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間限制的高性能開關電源。LLC串聯諧振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。本文通過建立全橋LLC串聯諧振變換電路建立數學模型，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串聯諧振變換器的設計方法，對比實驗波形和數據對LLC串聯諧振DC/DC進行研究分析，最終研制出效率為96%的6.6 kW車載充電機。

1 全橋LLC串聯諧振的分析

圖1 LLC DC/DC變換器拓撲結構電路

串聯諧振變換器的諧振網絡由諧振電感L和諧振電容C串聯構成，其電路拓撲結構如圖1所示。圖中U為AC/DC電路的輸出端，作為LLC的輸入級。全橋逆變電路由MOS管Q1～ Q4組成，D1～D4與C1～C4為相應MOS管的體二極管和寄生電容；諧振網絡由諧振電容C、諧振電感L（包含變壓器的漏感）、勵磁電感L構成；變壓器復變二極管D5～D8組成全橋整流，C為濾波電容，為等效負載。

Q1～Q4采用雙脈沖觸發的方式，開關管Q1和Q4采用同一觸發信號，Q2和Q3采用同一觸發信號，且兩觸發信號互補導通，并且設有一定死區時間。諧振電容、諧振電感和勵磁電感間存在兩個諧振頻率：

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諧振變換器的參數設計

LLC諧振變壓器是一種實用的軟開關直流變換器，本文應用于車載充電機中的LLC諧振變換器是不調壓形式，采用固定頻率、固定占空比和開環處理的形式。通過對LLC變換器的直流特性分析可以了解參數λ和Q對直流特性的影響，可以選擇合適的頻率工作點，使得效率最大化；通過對阻抗特性的分析，可以得到變換參數的設計方法。

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

圖3 LLC等效電路圖

由圖可以求出諧振網絡的傳遞函數為：

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 實驗波形與分析

根據市場需求，研制6.6 kW車載充電機，AC/DC采用PFC-BOOST電路，DC/DC調壓通過BUCK電路，本文主要介紹高效率的LLC串聯諧振DC/DC隔離電路。

參數指標為：輸入電壓：220 AC；輸出電壓：350-450 VDC；額定輸出電流：14.6 A。LLC變換器參數為：對稱全橋LLC變換器開關頻率為100 kHz，選用變壓器匝比=2，漏感20H，作為諧振電感L，勵磁電感L=320H，諧振電容C=220 nF。

圖5和圖6為400 VDC輸入，滿載輸出時的測試波形，圖7為不同電流等級下的效率曲線。圖5為Q1（Q4）的驅動電壓波形、Q1（Q4）的漏源級DS電壓波形以及L電流波形。通過驅動波形和Q1（Q4）的漏源級DS端電壓波形可以看出，當Q1（Q4）驅動信號到來之前時，DS端電壓已經降為0 V，實現了Q1（Q4）MOS管的零電壓開通，可以看出LLC諧振原邊電流接近標準的正弦波形，說明LLC諧振變換器工作在諧振頻率附近，在電流波形上出現一個小的平臺，這是因為iLr上的電流等于iLm上的電流，此時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）的驅動電壓波形、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，當由L和C諧振轉為L、L和C諧振時（由正弦波轉為平臺時），整流橋的二極管D5 （D8）的電流降為零，當諧振電路由LL和C重新回到L和C諧振時，二極管D6 （D7）準備導通，由于在D6 （D7）導通時D5 （D8）的電流已經降為零，同樣對D5（D8）導通時也存在同樣的特性，所以對輸出整流二極管而言不存在反向恢復問題，降低了二極管的開關應力，減小了二極管的開關損耗。

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變換器的效率曲線。從效率曲線可以看出，在輸出滿載時，效率可達96%，在高壓小電流時，由于結電容不能完成充放電，管子開通時會出現震蕩，因此會有附加的開關損耗。

4 結論

本文主要介紹了全橋LLC串聯諧振變換器工作原理及特性，通過分析諧振網絡與直流增益的曲線關系，闡述諧振網絡參數的最優設計思路。通過原理性分析和試驗樣機驗證，LLC諧振電路設計思路的正確性。實驗結果表明，全橋LLC串聯諧振變換器拓撲結構具有優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達到高效率變換，非常適合寬輸入電壓范圍內應用場合。

[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［J］. 2010, 44（08）: 24～26.

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

[3] 蔡磊, 尹國棟, 柯忠偉, 章進法, 孫嬌俊. 一種新穎的滿足鉑金版效率要求的功率架構. 電源學報［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三電平DC_DC變換器的研究. 中國電機工程學報［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, 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。E-mail：lenglijun007@163.com.