一种LLC直流-直流谐振变换器的设计方法.docVIP

一种直流-直流LLC谐振变换器的设计方法 Alexander Abramovitz University of California, Irvine, Irvine, USA. Tel.: +1-949-872-0421. Fax: +1-949-872-0421. E-Mail: alabr@ Svetlana Bronshtein Sami-Shamoon Engineering College, Beer-Sheva/Ashdod, Israel. Tel.: +972 / (8) – 6475776 Fax: +972 / (8) – 6475703. E-Mail: svetlanab@sce.ac.il 关键词 LLC谐振变换器 软开关 （参数）设计 摘 要 基于整流器的等效电阻模型，本文提出了一种适用于断续、连续模式下的带有电容滤波器的LLC谐振变换器的（参数）设计步骤。文章绘制了该变换器的电压转换比平面图，介绍了LLC直流-直流变换器的设计工具和指南。通过仿真和实验验证了所提理论的正确性。 引言 LLC谐振变换器相比其他谐振变换器有以下几个优点。LLC谐振变换器在整个工作范围都能实现零电压或者零电流开关，因而能够在非常高的频率下开关损耗仍较低。为了控制输出电压，需要将LLC变换器的工作频率限定在一个较小的范围。此外，LLC变换器可以工作在较宽的负载范围，并能实现升降压的电压转换。同时，可以利用变压器的漏感和励磁（并联）电感作为谐振变换器功率级器件可减少整体元件数量。并且在半桥结构变换器中，串联谐振电容可为隔离变压器承担直流偏磁（以防变压器饱和）。这些特性使得LLC变换技术被广泛应用于离线式场合。 基波分析法（FHA）已经被很多人提出并应用于谐振变换器的分析中。运用基波分析法可以相对简单直接的推导出谐振变换器关于频率的电压转换比表达式。基波分析法依赖于一个等效正弦波的输入电压源，而（副边）交流整流端（输入阻抗）等效为一个电阻的原理，该等效电阻为（参考文献【5】）。上述公式推导的前提是假设交流整流端口电流是连续的。LLC变换器的断续工作模式出现在升压，降压的工作模式中，并且断续模式可以使变换器提供显著的负载功率。然而，断续模式违背了前述的整流器电流连续的假设。这就使得用基波分析法对LLC变换器分析的准确性降低。 为了提高理论的可行性和准确性，文献【6】中提出了改进的副边交流端口等效电阻模型。该等效模型适用于变换器的断续和连续工作模式。本文根据???个新的等效模型提出了一个直流-直流LLC谐振变换器的设计步骤，并通过设计实例分析验证了设计表格以及设计步骤的正确性。最后通过仿真和实验结果验证了理论的可行性。 整流器等效模型断续-连续模式的快速回顾 LLC谐振变换器通常应用于全桥，半桥或者不对称半桥变换器中，且变换器副边通常为经桥式或者中心抽头式的变压器整流后并带有电容滤波器的结构。图1为一种LLC变换器的实现原理图。该变换器由带有体并联二极管的开关管Q1-Q2和谐振腔L1-L2-C，变比为n1：n2的高频变压器T，桥式整流二极管D1-D4，输出滤波电容Cf以及直流负载电阻Ro组成。半桥桥臂储能电容C1，C2均分变换器输入直流电压Vs，使得Vin=Vs/2。变换器中整流桥部分断续波形示于图1。 图1 (a) 半桥LLC谐振变换器电路拓扑 （b）断续模式下的波形 文献【6】中的模型近似推导基于以下几点假设： a)变换器中所有开关管，二极管，变压器以及所有无源元件均为理想模型； b)变换器的门极驱动信号为对称的方波信号，以保证在正半周期Q1开通而Q2截止而在负半周器Q1截止而Q2开通。实际上，为保证变换器实现零电压开关须引入一定的死区时间； c)开关半周期中，整流器电流波形从导通角开始近似为正弦波，如图1（b）所示： （1） 式（1）中θ=ωt是归一化的时间，t是真正的时间，ω是开关的角频率，导通角（消弧角）λ是整流特性中的主要参数。文献【6】中提出的近似方法用来计算导通角λ /π以作为工作频率的归一化函数 w =ω/ωrs，同时归一化的负载可定义为： （2） 其中，串联谐振支路L1-C的谐振频率为： （3） 导通角λ的平面图如图2所示。图示，随着B和L1/L2的比值的减小，导通角λ增大。