基于L6599的串并聯諧振變換器設計與實現(一)

0 引言

重量輕、體積小、高效率的綠色電源已成為電源產品的發展方向。軟開關技術便是通過在開關電路中引入緩沖電感和電容，利用其諧振使得開關器件中電流或兩端電壓按正弦或準正弦規律變化，當電流自然過零時使器件關斷，當電壓下降到零時使器件開通，即零電流開關(ZCS)和零電壓開關(ZVS)[1].在開關過渡過程中減小開關的應力而使儲存的電磁能量增大，有利于提高變換器的開關頻率和效率。

對中小功率直流變換器而言，采用高頻軟開關技術控制的半橋拓撲易于實現高頻化、減小變換器體積、進一步提高系統效率。其中LLC型串并聯諧振變換器可實現在全電壓范圍及全負載條件下主功率管的ZVS和整流二極管的ZCS,效率較高，利于高頻化，廣泛用于中功率場合。

1 電路拓撲和工作原理

半橋LLC串并聯諧振變換器電路結構如圖1所示，VT1、VT2組成上下一對橋臂，C 1、C 2和VD1、VD2分別為MOS管VT1、VT2的結電容和寄生反并二極管，諧振電感L r、諧振電容C r和變壓器激磁電感L m構成諧振網絡，C r也起了隔直電容的作用。變壓器副邊為橋式整流，C o為輸出濾波電容。

圖1 半橋LLC型串并聯諧振變換器拓撲

LLC諧振變換器有兩個本征諧振頻率，定義由L r和C r發生諧振的諧振頻率為：

由L r、L m和C r發生諧振時的諧振頻率為：

當變換器工作在f m f s f r頻率范圍內，用SABER軟件進行仿真，主要波形如圖2所示，UCr是C r兩端電壓，U ds1為MOS管VT1漏-源電壓，io為輸出電流，ir和im分別為諧振電流和變壓器原邊激磁電流。

圖2 額定負載下fm

工作可分為兩個階段：

(1) 傳輸能量階段：L r和C r上流過正弦電流且ir>im,能量通過變壓器傳遞至副邊;

(2) 續流階段：ir=im原邊停止向副邊傳遞能量，L r、L m和C r發生諧振，整個諧振回路感抗較大，變壓器原邊電流以相對緩慢的速率下降。

通過合理設計可以使變壓器原邊MOS管零電壓開通，副邊整流二極管在ir=im時電流降至零，實現零電流關斷，降低開關損耗。如上所述，變換器工作在fm

2 參數設計

1)主電路參數設計

半橋LLC諧振電路是一非線性電路，在此先將其轉換為一線性電路(如圖3)，采用基波法分析。推導得變換器直流增益G dc為：

式中x為開關頻率fs相對于諧振頻率fr的歸一化頻率;n為變壓器原副邊匝比;系數k是L r把L m歸一化的量，定義k=L m/L r;串聯諧振電路品質因數為Q.

圖3 半橋LLC諧振的穩態等效電路

變換器能量傳遞主要由諧振網絡從輸入源側傳送到負載端，諧振網絡是整個變換器設計的重點。而LLC諧振變換器各參數間關系及影響較兩元件諧振變換器要復雜，需在初步確定各參數值的基礎上再進行整體優化。

先根據電壓增益和工作頻率選取n,n需滿足輕載下的最低直流增益要求。再根據式(3)在U in最大且空載(Q=0)情況下須達到要求的U o來選取k值。當n、k固定時，G dc、x和Q的關系如圖4所示。每條增益曲線隨著頻率的增大都是先增大后減小，在某個頻率點處都有一拐點，且隨Q的增大最大直流增益減小，拐點頻率則增大。對于各Q值相應的G dc曲線上的拐點，我們在此引入歸一化輸入阻抗：

其中Z n為歸一化輸入阻抗，Z in為諧振網絡的輸入阻抗，Z r為特征阻抗，Z r=2πfrL r.