全橋LLC諧振變換器研究

凌雁波

摘 要：對(duì)于大功率的二次電源而言，全橋LLC諧振變換器因其具有低應(yīng)力、高效率、低電磁輻射等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在目前已經(jīng)成為研究領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容，但是，由于全橋LLC諧振變換器的工作特性和可靠性對(duì)負(fù)載條件以及工作頻率所在的區(qū)間具有較高的敏感性，要是諧振腔參數(shù)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，由于輸入電壓較低、負(fù)載由空載向滿載切換過(guò)程出現(xiàn)容性開關(guān)的問(wèn)題，甚至燒毀變換器。因此，為了有效的提高全橋LLC諧振變換器的可靠性，文章對(duì)其進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：全橋；LLC諧振變換器；空載特性；效率

中圖分類號(hào)：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）21-0005-02

在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)飛速發(fā)展的現(xiàn)階段，電力電子技術(shù)也隨之實(shí)現(xiàn)了較大程度發(fā)展，以功率半導(dǎo)體器件為核心的開關(guān)電源技術(shù)廣泛應(yīng)用，對(duì)于線性電源時(shí)代一直困擾人們的體積問(wèn)題實(shí)現(xiàn)了有效解決。諧振型變換器實(shí)際上是一種軟開關(guān)類型，通過(guò)對(duì)電路諧振的利用，使得開關(guān)元件在電壓或電流為零時(shí)候的導(dǎo)通和關(guān)斷，能夠有效的降低開關(guān)的損耗。全橋LLC諧振變換器憑借自身所具有的高頻率、高效率、高功率密度等特點(diǎn)在通信、電氣等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。

1 全橋LLC諧振變換器工作原理

1.1 fs>f1下的變換器能量傳輸

當(dāng)fs>f1的時(shí)候，全橋LLC諧振變換器的輕載波形，如圖1所示，其在一個(gè)開關(guān)周期當(dāng)中的模態(tài)過(guò)程呈對(duì)稱性，因此只需要對(duì)半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的模態(tài)進(jìn)行研究，主要包括了以下六種模態(tài)。

模態(tài)1：S1與S3開始導(dǎo)通，諧振腔電流的相位與電壓相比要相對(duì)滯后，此時(shí)的電流方向?yàn)樨?fù)，且經(jīng)反向流過(guò)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)續(xù)流，由于受到寄生二極管的鉗位作用，開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。

模態(tài)2：開關(guān)管保持導(dǎo)通狀態(tài)，諧振電流的方向未發(fā)生改變，電路經(jīng)反向流過(guò)開關(guān)管，S1和S3進(jìn)行續(xù)流。

模態(tài)3：諧振電流Ir呈現(xiàn)反向，開始經(jīng)由正向流過(guò)開關(guān)管；勵(lì)磁電流的方向保持不變，由勵(lì)磁電感和諧振電流共同向負(fù)載進(jìn)行供電。

模態(tài)4：勵(lì)磁電感電流ILm的方向與勵(lì)磁電流相同，電路仍在第一諧振頻率的條件下進(jìn)行工作；當(dāng)模態(tài)結(jié)束時(shí)，諧振電流Ir與勵(lì)磁電流ILm相等，繼而實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。

模態(tài)5：諧振電流Ir與勵(lì)磁電流ILm呈正方向，且保持等大。

模態(tài)6：全部開關(guān)管實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，電路呈現(xiàn)死區(qū)狀態(tài)，諧振電對(duì)四只開關(guān)管的寄生電容中的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，使得諧振腔的輸入電壓變?yōu)?UDC，此時(shí)電流通過(guò)寄生二極管實(shí)現(xiàn)續(xù)流。

1.2 f2

當(dāng)全橋LCC諧振變換器的工作頻率滿足f2

模態(tài)1：S1、S3開始導(dǎo)通，與電壓相比較而言，諧振腔電流Ir相位要較為滯后，電流方向?yàn)樨?fù)，諧振腔電流Ir反向流過(guò)S1、S3實(shí)現(xiàn)續(xù)流，且由勵(lì)磁電感Lm提供負(fù)載端能量。

模態(tài)2：開關(guān)管保持導(dǎo)通狀態(tài)，諧振電流Ir方向?yàn)檎?，S1、S3內(nèi)部開始流過(guò)電流，由母線和勵(lì)磁電感共同提供負(fù)載端能量，此時(shí)的諧振頻率為f1。

模態(tài)3：電路在f1下進(jìn)行工作，勵(lì)磁電流ILm的方向?yàn)檎?；?dāng)該模態(tài)結(jié)束時(shí)，諧振電流減小至與勵(lì)磁電流相等。

模態(tài)4：諧振電流Ir和勵(lì)磁電流ILm為等大同向，變壓器原端電流為0，副端整流二極管D5實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，由輸出電容Co提供負(fù)載能量。

模態(tài)5：開關(guān)管全部關(guān)斷，電路呈死區(qū)狀態(tài)；在諧振電流Ir的作用下，四只開關(guān)管的寄生電容開始對(duì)其中的能量進(jìn)行相互轉(zhuǎn)移和交換，諧振電流通過(guò)寄生二極管實(shí)現(xiàn)續(xù)流。

1.3 fs=f1下的變換器能量傳輸

fs=f1下的全橋LLC諧振變換器的輕載波形示意圖，如圖3所示。由于全橋LLC諧振變換器的輸出特性和波形與負(fù)載條件不具有關(guān)聯(lián)性，因此fs=f1下的波形與f2

2 全橋LLC諧振變換器的特性分析

2.1 頻率特性

當(dāng)電感歸一化量K值逐漸增大的時(shí)候，全橋LCC諧振變換器的直流增益曲線就會(huì)變得越來(lái)越緩慢，輸入電壓和輸出電壓的范圍也會(huì)隨之變小，當(dāng)輸入的電壓較低的情況下，輸出電壓就無(wú)法調(diào)節(jié)到實(shí)際需要的恒定值。

當(dāng)諧振頻率fr保持不變的時(shí)候，電感歸一化量K會(huì)變小，勵(lì)磁電感Lm也會(huì)隨之減小，流經(jīng)的電流會(huì)變大，這種情況會(huì)使得電感上的損耗出現(xiàn)較大程度的增加，對(duì)變換器的傳輸效率產(chǎn)生影響。

因此，在對(duì)K值進(jìn)行選取的時(shí)候不能太大也不能太小。而且，在開關(guān)頻率歸一化量fn逐漸增大的情況下，全橋LLC諧振變換器的增益會(huì)出現(xiàn)逐漸減小的現(xiàn)象，當(dāng)變換器處于輕載或空載的時(shí)候，為了維持輸出電壓的穩(wěn)定性，應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾幼儞Q器的開關(guān)頻率；當(dāng)變換器處于重載的時(shí)候，則應(yīng)該適當(dāng)?shù)臏p小變換器的開關(guān)頻率。

2.2 頻率特性

對(duì)全橋LCC諧振變換器的直流輸出增益表達(dá)式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)變換器的開關(guān)頻率f較大程度的大于諧振頻率fr的時(shí)候，此時(shí)的諧振電容幾乎不會(huì)起到任何的作用，且變換器的等效電路會(huì)出現(xiàn)一定的變化。為了保持輸出的穩(wěn)定性，開關(guān)頻率f則會(huì)出現(xiàn)一定幅度的增加，在這種情況之下，變換器的直流增益也會(huì)隨之逐漸趨向于一個(gè)固定值，說(shuō)明其輸出電壓是可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

另一方面，當(dāng)開關(guān)頻率f向無(wú)窮大進(jìn)行增加的時(shí)候，此時(shí)的直流增益將會(huì)變成一個(gè)常量，此時(shí)的變換器輸出電壓是不可調(diào)節(jié)的。

另外，在空載的狀態(tài)之下，在變換器中變壓器副邊流經(jīng)的電流幾乎為零，耦合到原邊的電流也會(huì)變得很小，諧振電流變小，直接導(dǎo)致開關(guān)管寄生電容充放電的電流變小，使得寄生電容的充放電時(shí)間邊長(zhǎng)。

2.3 短路特性

在對(duì)全橋LCC諧振變換器的工作原理進(jìn)行分析研究之后，發(fā)現(xiàn)全橋LLC諧振變換器在短路狀態(tài)進(jìn)行工作的時(shí)候，其輸出的電阻接近為零，此時(shí)的電路品質(zhì)因數(shù)Q會(huì)接近無(wú)窮大，由此可知，在全橋LCC諧振變換器的輸出電阻逐漸減小的情況下，其輸出電流會(huì)逐漸增大；當(dāng)工作頻率與諧振頻率相等（fn=1）的時(shí)候，其輸出電流會(huì)達(dá)到最大值；當(dāng)fn>1時(shí)，全橋LCC諧振變換器的輸出電流會(huì)隨著工作頻率的增加而減小。

因此，在短路狀態(tài)下，為了保證全橋LCC諧振變換器的運(yùn)行安全，可以采取適當(dāng)增加工作頻率的方式對(duì)輸出電流的大小實(shí)現(xiàn)控制。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)全橋LLC諧振變換器的工作原理、特性和設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了分析研究，得到以下結(jié)論：

①經(jīng)全橋LLC諧振變換器的啟動(dòng)過(guò)程分析，得到了變換器等效啟動(dòng)電路，進(jìn)行暫態(tài)研究后得出全橋LLC諧振變換器的安全啟動(dòng)頻率區(qū)間為fs>f1。

②對(duì)全橋LLC諧振變換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)諧振腔中勵(lì)磁電感的取值會(huì)對(duì)變換器的效率產(chǎn)生一定的影響，且諧振電感值與勵(lì)磁電感值的比值也會(huì)對(duì)變換器的工作頻率范圍產(chǎn)生較大的影響。

③由于全橋LLC諧振變換器的工作特性，使得開關(guān)的實(shí)際損耗較小，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以將同步整流電路應(yīng)用到其中，能夠顯著的提高變換器的效率。

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