一種高效率LLC?Buck 級(jí)聯(lián)諧振變換器

李長(zhǎng)云，楊 艷，徐 曦

（湖南工業(yè)大學(xué) 智能信息感知及處理技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412000）

線(xiàn)性電源（Linear Power Supply，LPS）直到20 世紀(jì)60 年代初期一直是電源工業(yè)的主要產(chǎn)品，但隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)開(kāi)關(guān)電源（Switching Power Supply，SPS）在通信、軌道交通、智能電網(wǎng)、電子檢測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。相對(duì)于線(xiàn)性電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源在電流回路中的功率器件損耗小且具有輸出精度高、頻率高、轉(zhuǎn)換效率高、功率因數(shù)高等特點(diǎn)[1?3]，且相對(duì)于線(xiàn)性開(kāi)關(guān)具有體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)[4?5]，通常來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)電源的體積僅為線(xiàn)性電源體積的，相對(duì)應(yīng)的重量是線(xiàn)性電源的1/4 左右。DC?DC 變換器由于開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通前承受電壓或斷開(kāi)前仍有電流流過(guò)電流，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率越高，損耗越大，即開(kāi)關(guān)損耗越大。由于電路中存在分布電感和寄生電容，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中電感和電容會(huì)發(fā)生振蕩，造成額外的損耗，因此直流變換器的開(kāi)關(guān)頻率不能設(shè)置得太高[6?7]。文獻(xiàn)[8]提出一種軟開(kāi)關(guān)電流連續(xù)模式（Current Continuous Mode，CCM）直流器。直流器中的輸出二極管用開(kāi)關(guān)管替代，并通過(guò)輔助電路使兩個(gè)開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通（Zero Voltage Switching，ZVS），二極管零電流關(guān)斷（Zero Current Switching，ZCS），進(jìn)一步提升變換器工作效率。

本文在軟開(kāi)關(guān)[9]直流變換器的基礎(chǔ)上，提出了一種LLC 全橋諧振軟開(kāi)關(guān)直流變換器[10]。由于開(kāi)關(guān)本身的結(jié)電容，開(kāi)關(guān)接通時(shí)可視為零電壓關(guān)斷；當(dāng)它被關(guān)閉時(shí)，利用諧振使通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流與勵(lì)磁電流一致。由于電流對(duì)于工作電流相對(duì)較小，所以近似認(rèn)為是零電流關(guān)斷。同時(shí)，變換器二次側(cè)的二極管電流也降為零，讓二次側(cè)的二極管實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)。因直流變換器的一次側(cè)和二次側(cè)都實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，使這種開(kāi)關(guān)方式大大降低了開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)過(guò)程中引起的振蕩，為變換器的小型化、模塊化創(chuàng)造了條件。

此外，本文分析了LLC 全橋諧振軟開(kāi)關(guān)的工作原理和狀態(tài)，以及實(shí)現(xiàn)ZVC 及ZCS 的條件，并設(shè)計(jì)制作了1臺(tái)兩路輸出的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，一路輸出24 V，一路輸出15 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果。

1 全橋LLC 諧振變換器工作原理

1.1 變換電路

全橋LLC 諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路如圖1 所示。

圖1 全橋LLC 諧振變換器

圖1 中，將Uin定義為原邊側(cè)電壓，U0定義為二次側(cè)電壓，C1為支撐電容，C2為輸出濾波電容[11]。功率從Uin到U0為正向傳輸，從U0到Uin為反向傳輸。正向傳輸時(shí)，4 個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1～Q4采用互補(bǔ)調(diào)頻的控制方式組成全橋逆變網(wǎng)絡(luò)，其占空比接近50%，且開(kāi)關(guān)管的死區(qū)時(shí)間固定；D1～D4是開(kāi)關(guān)管的反并聯(lián)二極管，起反向?qū)ㄗ饔?，Coss1～Coss4是開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容；諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電容Cr，變壓器漏感Lr和勵(lì)磁電感Lm共同組成諧振電路；高頻變壓器T 的變比為N∶1；D5～D6組成整流電路；C2提供輸出電壓；R0為負(fù)載。

1.2 主要工作模態(tài)

若圖1 中沒(méi)有勵(lì)磁電感Lm，此變換器將跟傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振變換器（SRC）一樣。傳統(tǒng)串聯(lián)諧振SRC 諧振電路中負(fù)載R阻抗遠(yuǎn)小于勵(lì)磁電感Lm，故此時(shí)電流流向負(fù)載R。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率fs等于諧振頻率fr1時(shí)，理想狀態(tài)下諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗為零，無(wú)功功率循環(huán)最小，效率最高；當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率fs遠(yuǎn)離諧振頻率fr1時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗將增大。SRC 諧振電路的串聯(lián)諧振頻率fr1如下：

考慮到變壓器的勵(lì)磁電感，整個(gè)LLC 諧振網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是電感Lr和電容Cr組成的串聯(lián)諧振頻率，另一個(gè)是諧振電感Lr、諧振電容Cr和勵(lì)磁電感Lm組成的串聯(lián)并聯(lián)諧振頻率。串聯(lián)并聯(lián)諧振頻率fr2如下：

變換器各器件的主要波形如圖2所示。由圖2可知，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期可以分為8 個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段代表著一個(gè)工作模態(tài)。本文主要分析前4個(gè)工作模態(tài)，如圖3所示。

圖2 變換器主要工作波形

圖3 工作模態(tài)

模態(tài)1（t0～t1）：t0時(shí)刻開(kāi)關(guān)管Q1，Q4導(dǎo)通，由于在t0時(shí)刻之前開(kāi)關(guān)管Q1，Q4的反向并聯(lián)二極管已經(jīng)導(dǎo)通，所以Q1，Q4為ZVS 導(dǎo)通。諧振網(wǎng)絡(luò)電流ir依次流向勵(lì)磁電感以及變壓器一次側(cè)。變壓器一次側(cè)電壓為上正下負(fù)。變壓器傳遞能量，二次側(cè)電壓也為上正下負(fù)，LLC 二次側(cè)整流二極管D5導(dǎo)通，輸出電壓V0將勵(lì)磁電感Lm電壓鉗位為nV0。勵(lì)磁電流im線(xiàn)性上升，此階段諧振電感Lm不參與諧振。諧振網(wǎng)絡(luò)由Lr和Cr構(gòu)成，諧振頻率為fr1。此階段諧振電流ir、勵(lì)磁電流和二次側(cè)二極管的電流id的表達(dá)式如下：

模態(tài)2（t1～t2）：t1時(shí)刻二次側(cè)整流二極管D5關(guān)斷，勵(lì)磁電流im與諧振電流ir相等，變壓器一次側(cè)諧振電流為零，中斷能量傳輸，輸出電壓取消對(duì)勵(lì)磁電感Lm鉗位。此時(shí)二極管處于ZCS 狀態(tài)。諧振網(wǎng)絡(luò)由Lr，Lm和Cr構(gòu)成，諧振頻率為fr2。勵(lì)磁電感Lm參與諧振，由于勵(lì)磁電感遠(yuǎn)大于變壓器漏感，導(dǎo)致諧振周期變長(zhǎng)，可近似看做ir不變。此階段：

模態(tài)3（t2～t3）：t2時(shí)刻Q1，Q4關(guān)斷，諧振電流給Q2，Q3的寄生電容放電，給Q1，Q2的寄生電容充電，t3時(shí)刻Q1，Q4兩端電壓拉升到Vin，Q2，Q3兩端電壓釋放到零，為下一步Q2，Q3為ZVS 狀態(tài)開(kāi)通做好準(zhǔn)備。

模態(tài)4（t3～t4）：t3時(shí)刻二極管D6導(dǎo)通，此階段二極管D6上的電流為諧振電流與勵(lì)磁電流的差值，且輸出電壓V0將勵(lì)磁電感Lm電壓鉗位在-nU0，勵(lì)磁電流線(xiàn)性下降。此階段諧振頻率為fr1。

2 工作特性分析

根據(jù)LLC 諧振變換器等效電路采用基波分析法可知輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系：

式中：Ein為輸入方波基波電壓有效值；E0為輸出方波基波電壓有效值。

等效負(fù)載電阻與實(shí)際電阻之間的關(guān)系式：

輸入阻抗：

等效電路的傳遞函數(shù)：

諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q=，其中，阻抗Z0=電感歸一化量，LLC 諧振變換器的輸出增益為：

式中，fn=，f為工作頻率。LLC 諧振變換器增益曲線(xiàn)如圖4 所示。

如圖4所示，區(qū)域1和區(qū)域2為ZVS工作區(qū)域，區(qū)域3為ZCS 工作區(qū)域。無(wú)論Q的取值如何，Gain 曲線(xiàn)都會(huì)經(jīng)過(guò)點(diǎn)（fn，Gain）=（1，1），此時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率f與諧振頻率fr1相等，諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗為0，諧振電感Lr和諧振電容Cr無(wú)壓降，輸入電壓無(wú)損耗傳遞至輸出負(fù)載，此時(shí)的電壓增益最大[12]，電路為最理想的工作狀態(tài)。

圖4 LLC 諧振變換器增益曲線(xiàn)

3 設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

圖5 為L(zhǎng)LC?Buck 級(jí)聯(lián)變換器的控制框圖，最終變換器有24 V，15 V兩路輸出。計(jì)算主電路[13]的具體參數(shù)：K=3，計(jì)算品質(zhì)因數(shù)Q，最小開(kāi)關(guān)頻率fmin，最大開(kāi)關(guān)頻率fmax，諧振電感Lr，勵(lì)磁電感Lm，諧振電容Cr。

圖5 LLC?BUCK 變換器的控制框圖

圖6 為樣機(jī)一次側(cè)MOS 管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和兩端電壓的實(shí)驗(yàn)波形，由圖6 可知MOS 管實(shí)現(xiàn)了ZVS 開(kāi)通。通過(guò)前級(jí)電路采用LLC 諧振變換器，輸入額定電壓24 V時(shí)在硬開(kāi)機(jī)的瞬間，輸入電壓穩(wěn)步上升，有效抑制了電壓過(guò)沖現(xiàn)象。最大電壓為25.2 V，超調(diào)率為5%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)預(yù)期要求。此時(shí)測(cè)量的紋波電壓為108.8 mV 且小于輸出電壓的1%，滿(mǎn)足電磁兼容性的要求，使基于LM20343 的DC/DC 變換器[14]實(shí)現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能[15]。

圖6 Q1的電壓波形圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知LLC?Buck 級(jí)聯(lián)變換器實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的ZVS 開(kāi)通，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)94.2%。通過(guò)對(duì)后級(jí)BUCK 電路的輸入電壓檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)電路啟動(dòng)時(shí)輸入電壓尖峰得到了明顯改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的DC?DC 變換器輸出紋波噪聲小，功耗低，轉(zhuǎn)化效率高，滿(mǎn)足電磁兼容要求，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。