一種高壓大電流輸出的LLC全橋諧振變換器的設(shè)計

趙懷陽，唐勇奇，卿　騰，韓雷振，趙葵銀

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，株洲 412007；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101；3.中國水利水電 第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

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一種高壓大電流輸出的LLC全橋諧振變換器的設(shè)計

趙懷陽1，唐勇奇2，卿騰2，韓雷振3，趙葵銀2

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，株洲 412007；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101；3.中國水利水電 第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

為提高電能變換器的功率密度和效率，研究了LLC全橋諧振變換器，設(shè)計了一種全橋諧振變換電路，分析了變換器增益特性與諧振元件的關(guān)系，給出了一種高壓大電流輸出LLC電路的設(shè)計方法，實現(xiàn)了前級MOSFET管的零電壓開通以及后級整流二極管的零電流關(guān)斷。通過試驗證明，本設(shè)計方法正確，諧振變換器性能指標(biāo)優(yōu)越，高頻開關(guān)損耗減小，變換器效率得到提高.

變換器；全橋；諧振電源

0　引　言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)器件的工作頻率越來越高，開關(guān)損耗也越來越大，為了減小開關(guān)損耗，各種軟開關(guān)諧振電路被大量應(yīng)用于工程實踐.諧振式軟開關(guān)可在電流自然過零點時關(guān)斷半導(dǎo)體器件，實現(xiàn)零電流關(guān)斷，在導(dǎo)通之前將半導(dǎo)體器件兩端的電壓降為零，實現(xiàn)零電壓開通，因此特別適用于開關(guān)裝置.LLC拓?fù)浣Y(jié)合了串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的優(yōu)點，可工作于升壓或降壓狀態(tài)；LLC電路工作在諧振點時,諧振回路的增益與負(fù)載大小無關(guān)，能夠適用于全范圍負(fù)載.本文通過對全橋LLC諧振變換器的拓?fù)溥M行分析，得到了其增益特性與諧振元件的關(guān)系，給出了一種高壓大電流輸出的LLC諧振變換器的設(shè)計方法，并通過試驗驗證了該設(shè)計的正確性.

1　LLC諧振電路工作拓?fù)浼捌涔ぷ鳡顟B(tài)分析

全橋LLC諧振電路如圖1所示，Q1～Q4為4個MOSFET管，其中，Coss1～Coss4為MOSFET管寄生電容，即輸出電容，Do1～Do4為MOSFET管體內(nèi)寄生二極管.諧振電容Cr、諧振電感Lr和勵磁電感Lm組成諧振腔，變壓器原邊、副邊匝數(shù)比為n，與變壓器副邊相連的二極管D1～D4組成全橋整流電路，Vo為輸出電壓.變換器采用PWM模式，2對功率管(Q1、Q3和Q2、Q4)驅(qū)動一致，占空比為50%.

圖1　LLC全橋拓?fù)?/p>

LLC諧振變換器要求開關(guān)頻率fs小于或等于諧振頻率fr.當(dāng)fs

諧振周期為

(1)

諧振頻率為

(2)

開關(guān)周期為

(3)

圖2　各階段等效電路

電路具體工作過程如下：

(1)階段1(t0～t1)：t0時刻，MOSFET管Q1、Q3開通，電流ip流過Q1、諧振腔、Q3，變壓器后級二極管D1、D3導(dǎo)通，Lm和變壓器原邊被輸出電壓鉗位，所以，勵磁電流ilm線性上升，電流ip在Lr和Cr之間諧振并以正弦波形式上升.

(2)階段2(t1～t2)：t1時刻，ip和ilm相等，變壓器副邊電流為零，則后級二極管D1、D3上電流自然過零，實現(xiàn)零電流關(guān)斷，此時Lm不再被輸出電壓鉗位，與Lr、Cr一起構(gòu)成三元件諧振.由于Lm通常為Lr的若干倍，所以三元件諧振周期比Lr、Cr兩元件諧振周期大得多，此時ip可以看作近似不變，對副邊而言，二極管截止，輸出電容(Co)在這段時間內(nèi)對負(fù)載提供能量.

(3)階段3(t2～t3)：t2時刻，MOSFET管Q1、Q3關(guān)斷，此時ip既要對Q1、Q3的寄生電容Coss1、Coss3充電，又要對Q2、Q4的寄生電容Coss2、Coss4放電.變壓器副邊電流反向，副邊二極管D2、D4導(dǎo)通，Lm和變壓器原邊被輸出電壓鉗位，ilm線性下降.該階段直至Q2、Q4寄生電容電壓放電為零時結(jié)束，為Q2、Q4創(chuàng)造ZVS開通條件.

(4)階段4(t3～t4)：t3時刻，Q2、Q4寄生電容電壓已經(jīng)下降為零，此時ip開始流過Q2、Q4的體二極管Do2、Do4，該過程中，Q2、Q4的漏源電壓保持為零，t4時刻開通Q2、Q4，實現(xiàn)零電壓開通.

(5)階段5～8(t4～t8)：后半周期的工作過程與t0～t4階段過程類似.t4～t5，MOSFET管Q2、Q4開通，電流ip流過Q2、諧振腔、Q4，變壓器后級二極管D2、D4導(dǎo)通，Lm和變壓器原邊被輸出電壓鉗位，所以，勵磁電流ilm線性上升，電流ip在Lr和Cr之間諧振并以正弦波形式下降.t5～t6，t5時刻，ip和ilm相等，變壓器副邊電流為零，則后級二極管D2、D4上電流自然過零，實現(xiàn)零電流關(guān)斷，此時Lm不再被輸出電壓鉗位，與Lr、Cr一起構(gòu)成三元件諧振.對副邊而言，二極管截止，輸出電容(Co)在這段時間內(nèi)對負(fù)載提供能量.t6～t7，t6時刻，Q2、Q4關(guān)斷，此時ip既要對Q2、Q4的寄生電容Coss2、Coss4充電，又要對Q1、Q3的寄生電容Coss1、Coss3放電.副邊二極管D1、D3導(dǎo)通，Lm和變壓器原邊被輸出電壓鉗位，ilm線性上升.t7～t8，t7時刻Q1、Q3寄生電容電壓已經(jīng)下降為零，此時ip開始流過Q1、Q3的體二極管Do1、Do3，該過程中，Q1、Q3的漏源電壓保持為零，t8時刻Q1、Q3開通，實現(xiàn)零電壓開通.[8]

圖3　LLC諧振電路電壓電流波形

圖3是LLC電路的工作波形，S1，S2，S3，S4分別是Q1，Q2，Q3，Q4的開通時間，Vds1，Vds2，Vds3，Vds4分別是Q1，Q2，Q3，Q4的電壓，iD1，iD2，iD3，iD4分別是D1，D2，D3，D4的電流.

該變換器有2個諧振頻率，1個諧振頻率fr由Lr和Cr確定：

(4)

另一個諧振頻率fm由Lm、Lr和Cr確定：

(5)

全橋LLC諧振腔輸入端處電壓波形為矩形波，定義為uAB.由于LLC網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，分析LLC諧振特性時通常忽略矩形波的高次諧波成分，認(rèn)為只有其基波成分傳遞功率，該方法通常稱為基波等效法.[7]

諧振腔的增益[7]定義為變壓器初級獲得的電壓幅值Up與諧振腔輸入端電壓幅值uAB之比.基于該定義，LLC諧振腔的增益公式為：

(6)

圖4　LLC諧振變換器增益曲線

通過分析增益曲線可知，k保持不變時，Q越小，G越高；此外，在Q不變時，k越小，G越高.曲線越陡，獲得相同的增益范圍時，開關(guān)頻率變化范圍就越小，這是一個優(yōu)點，但該優(yōu)點是以增加諧振腔的無功電流為代價換來的.k的選擇無確定取值，在工程設(shè)計時，需要綜合考慮變壓器損耗、開關(guān)電流裕量等.

2　裝置設(shè)計

基于對拓?fù)浞治鲈O(shè)計了一款LLC全橋變換器，其基本參數(shù)：直流輸入電壓為300～400 V，直流輸出電壓200～500 V，輸出電流為0～30 A.

(1)開關(guān)頻率的選擇

根據(jù)以往經(jīng)驗，當(dāng)諧振頻率為100 kHz時，fs最高為250 kHz，最低為70 kHz，諧振頻率的選擇與諧振電感和變壓器散熱、開關(guān)損耗等有密切關(guān)系，根據(jù)實際損耗和散熱情況，諧振頻率可做出調(diào)整，相應(yīng)的諧振網(wǎng)絡(luò)也需要做出適當(dāng)調(diào)整.

(2)k值的選擇

k值的選擇有一定的自由度，一般在2～7之間，本文選擇k值為4.

(3)變壓器變比

從系統(tǒng)最優(yōu)角度考慮，假設(shè)輸入電壓為400 V、直流輸出為500 V時，系統(tǒng)工作于諧振點，G=1，則變壓器變比n=400/500=0.8，此處取0.8，本實驗選擇7∶9的繞制方式.

(4)勵磁電感的選擇

流過MOSFET管的電流給結(jié)電容充放電，使之工作于零電壓開關(guān)狀態(tài).為確保該工作區(qū)的魯棒性，im必須在諧振電流ir中占據(jù)一定比例，但過大的im又會導(dǎo)致過高的ir，系統(tǒng)整體損耗也會增大，此處選擇im占35%的ir.由于LLC諧振腔中ir近似為正弦波，而im近似為三角波，則有：

(7)

(8)

式中，Iop為負(fù)載電流I0折算到變壓器初級側(cè)的值.

在本設(shè)計中，Im=22.413 A，根據(jù)變壓器勵磁電流的計算公式[7]，有：

(9)

設(shè)定fr=100 kHz，可得Lm=116 μH，取Lm=120 μH，由于k=4，可得Lr=29 μH，Cr=90 nF.

(5)開關(guān)管的選擇

由以上參數(shù)設(shè)計，前級功率MOSFET管選取型號為FCH041N60F，后級整流二極管選取型號為DSE160-12A.

3　實驗結(jié)果及分析

圖5　MOSFET管上電壓波形及驅(qū)動波形

圖6　二極管上的電壓波形及電流波形

圖7　效率曲線

4　結(jié)　論

本文對LLC全橋諧振變換器的工作原理進行了詳細(xì)分析，給出了LLC諧振變換器各諧振元件的參數(shù)設(shè)計方法，最后按照設(shè)計出的諧振參數(shù)搭建了試驗樣機，實現(xiàn)了前級MOSFET管的零電壓開通(ZVS)和后級整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)，使變換器的開關(guān)損耗減少，效率達到95%以上，驗證了理論分析和參數(shù)設(shè)計的正確性.

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Design of LLC Full Bridge Resonant Converter with High Voltage and High Current Output

ZHAO Huai-yang1, TANG Yong-qi2, QING Teng2, HAN Lei-zhen3, ZHAO Kui-yin2

(1.College of Elect. and Information Eng., Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007， China;2.College of Elect. and Information, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;3.China Water Conservancy and Hydropower Eleventh Engineering Bureau Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China)

In order to improve the power density and efficiency of the power converter, a LLC resonant converter is studied in this paper. A full bridge resonant converter is designed. The relationship between the gain characteristics and the resonant component of the converter is analyzed and a design method of LLC circuit with high voltage and large current output is presented. The zero voltage switching of the primary MOSFET tube and the zero current of the secondary rectifier diode are realized. The test proves that the design method is correct; the performance of the resonant converter is superior; the high frequency switching loss is reduced and the efficiency of the converter is improved.

converter; full bridge; resonant power supply

2016-04-26

湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金項目(10K017).

趙懷陽(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)及系統(tǒng).通訊作者：唐勇奇(1964-)，男，教授，研究方向：電力電子及電力傳動.

TM46

A

1671-119X(2016)03-0001-05