llc 諧振變換器設(shè)計要素

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1、LLC諧振變換器的設(shè)計要素FairchildPowerSeminar2007摘要：最近LCC諧振變換器備受關(guān)注，因為它優(yōu)于常規(guī)串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器：在負(fù)載和輸入變化較大時，頻率變化仍很小，且全負(fù)載范圍內(nèi)切換可實現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換（ZVS）。本文介紹了LLC型諧振變換器的分析方法，回顧了LLC型諧振變換器的實際設(shè)計要素。其中包括設(shè)計變壓器和選擇元器件。采用一設(shè)計實例，逐步說明設(shè)計流程，有助于工程師更加輕松地設(shè)計LLC諧振器。I.引言功率變換器設(shè)計中，對增大功率密度，縮小設(shè)計尺寸的要求越來越高，迫切需要設(shè)計師提高開關(guān)頻率。采用高頻工作將大大降低無源器件的尺寸，如變

2、壓器和濾波器。但存在的開關(guān)損耗卻對高頻工作帶來不利影響。為減少開關(guān)損耗，使高頻工作正常，故提出諧振切換技術(shù)[1-7]。這些技術(shù)按正弦波處理功率，并且開關(guān)器件可以很方便地軟換向。因此，開關(guān)損耗和噪聲可大幅度減少。常規(guī)諧振器使用串聯(lián)的電感電容作為諧振網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載連接有兩種基本結(jié)構(gòu)，串聯(lián)和并聯(lián)。對于串聯(lián)諧振變換器（SRC）,整流負(fù)載網(wǎng)絡(luò)與一個LC諧振網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，如圖1所示[2-4]。從這個結(jié)構(gòu)看來，諧振網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載作為一個分壓器。通過改變驅(qū)動電壓Vd的頻率，改變諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗。輸入電壓將分配到這部分阻抗和反射負(fù)載上。因為，它是一個分壓器，SRC直流增益始終小于1。在小負(fù)載條件

3、下，負(fù)載阻抗相對于與諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗非常大；全部輸入電壓落在負(fù)載上。這使得人們很難在小負(fù)載條件下調(diào)節(jié)輸出。理論上，在沒有負(fù)載的情況下調(diào)節(jié)輸出，頻率會變?yōu)闊o限大。對于并聯(lián)諧振變換器，整流負(fù)載網(wǎng)絡(luò)與諧振電容是并聯(lián)的，如圖[5-7]所示。由于負(fù)載同諧振網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)的，因此不可避免地存在著大量的循環(huán)電流。這使得人們難以在大功率場合下使用并聯(lián)諧振電路。圖1半橋串聯(lián)諧振變換器圖2半橋并聯(lián)諧振變換器為了解決傳統(tǒng)諧振變換器的局限性，提出了LLC諧振變換器[8-12]。對比常規(guī)諧振器，LLC型諧振變換器具有許多優(yōu)點。首先，它可以在輸入和負(fù)載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出，同時開關(guān)頻率變化相

4、對很小。第二，它可以在整個運行范圍內(nèi)，實現(xiàn)零電壓切換（ZVS）。最后，所有寄生元件，包括所有半導(dǎo)體器件的結(jié)電容和變壓器的漏磁電感和激磁電感，都是用來實現(xiàn)ZVS的。本文講述了一種半橋LLC諧振器的分析和設(shè)計要素。利用基波近似法分析了電壓和電流波形，并得到了系統(tǒng)增益方程。選擇一個輸出為120W/24V直流/直流轉(zhuǎn)換器的設(shè)計作為典型的例子，來說明設(shè)計流程。FairchildPowerSeminar2007II.工作原理和基波近似圖3為半橋LLC諧振變換器簡化示意圖，圖4是它的典型波形。圖3中，Lm是變壓器勵磁電感，Llkp和Llks分別表示變壓器初級和次級的漏感。LLC

5、諧振變換器的工作原理和傳統(tǒng)LC串聯(lián)諧振變換器是類似的。唯一不同的是，激磁電感相對較小，因此Lm+Llkp和Cr之間的諧振會影響變換器的工作。由于激磁電感較小，存在著相當(dāng)大的磁化電流（Im），如圖4示。一般來說，LLC諧振拓?fù)浒ㄈ糠?，如圖3所示；方波發(fā)生器，諧振網(wǎng)絡(luò)和整流網(wǎng)絡(luò)。-方波發(fā)生器，通過每次切換都以50％占空比交替驅(qū)動開關(guān)Q1和Q2產(chǎn)生方波電壓Vd。方波發(fā)生器級可設(shè)計成一個全橋或半橋型。-諧振網(wǎng)絡(luò)包括一個電容器，變壓器的漏磁電感和激磁電感。諧振網(wǎng)絡(luò)可以濾掉高次諧波電流。因此，即使方波電壓應(yīng)用于諧振網(wǎng)絡(luò)，基本上只有正弦電流允許流經(jīng)諧振網(wǎng)絡(luò)。電流（Ip）滯后

6、于施加于諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓（也就是說，方波電壓（Vd）的基波施加到了半橋上的圖騰），這允許零電壓開啟MOSFET。從圖4可以看到，當(dāng)電流流經(jīng)反向并聯(lián)二極管時，MOSFET開啟電壓為零。-整流網(wǎng)絡(luò)通過整流二極管和電容器調(diào)整交流電，輸出直流電壓。整流網(wǎng)絡(luò)可設(shè)計成一個帶有電容輸出濾波器的全橋或中心抽頭結(jié)構(gòu)。圖3半橋LLC諧振變換器的示意圖圖4半橋LLC諧振變換器的典型波形諧振網(wǎng)絡(luò)的濾波功能可以讓我們用經(jīng)典的基波近似原理獲得諧振器的電壓增益，假定只有輸入到諧振網(wǎng)絡(luò)的方波電壓的基波有助于功率傳遞到輸出。由于次級整流電路起到一個阻抗變壓器的作用，等效負(fù)載電阻與實際負(fù)載電阻是不同的

7、。圖5顯示了如何得到等效負(fù)載電阻。初級電路被替換成一個正弦電流源Iac和方波電壓VRI，作為整流器輸入電壓。因為Iac的平均值是輸出電流Io，可得到(1)然后(2)其中，Vo是輸出電壓然后，計算VRI的基波(3)因為功率轉(zhuǎn)換沒有包含VRI的諧波，除以Iac即得到AC等效阻抗(4)FairchildPowerSeminar2007考慮變壓器圈數(shù)比（n=Np/Ns），變壓器初級的等效負(fù)載阻抗為：(5)利用等效負(fù)載阻抗，得到AC等效電路，如圖6所示，和分別表示驅(qū)動電壓Vd和反射輸出電壓VRO(nVRI)的基波。圖5等效負(fù)載阻抗Rac的推導(dǎo)圖6LLC諧振變換器的AC等效電

8、路利用等