寬電壓輸入半橋型LLC諧振變換器設計與實驗

摘要：半橋型LLC諧振變換器由于拓撲簡單、工作效率高而得到廣泛研究。此處針對寬電壓輸入的工作情況，采用脈沖頻率調制(PFM)，避免了傳統PWM控制占空比變化范圍大的問題。為了提升變換器效率，對各關鍵諧振參數進行設計，分析了其對電源輸出特性的影響，使得初級開關管實現零電壓開通(ZVS)，次級二極管實現零電流關斷(ZCS)。結合理論數學推導和增益曲線分析，設計了一臺100 W的變頻半橋型LLC諧振變換器樣機，并完成了相關實驗，驗證了參數設計的正確性，樣機的最大效率達到93.95%。同時對變換器進行了損耗分析，以便進一步優化設計。

關鍵詞：變換器;寬電壓輸入;脈沖頻率調制

1 引言

半橋型DC/DC變換器廣泛用于中小功率場合。通過增大開關頻率，可有效減小電源體積和重量，但會增加開關管損耗，影響電源電能質量及工作效率。在所有工作條件下實現軟開關可很好地解決上述問題。相比傳統諧振變換器，變頻LLC型諧振變換器由于特殊工作性能可在寬電壓輸入范圍內方便地穩定電壓或電流。其結構簡單，控制方便，寄生元件亦可參與諧振過程。初級開關管可方便地實現ZVS，關斷電流小;次級整流二極管可實現ZCS，消除反向恢復時二極管損耗和振蕩。在控制方法上采用PFM，開關管占空比保持在0.5，解決了寬電壓輸入情況下占空比變化大的問題，使得開關頻率增加，從而進一步減小了變換器的體積和重量。

此處分析了變頻半橋型LLC諧振變換器的工作原理和軟開關特性，分析了參數設計對變換器性能的影響，以此為基礎完成了電路參數的優化設計，并通過實驗驗證了變換器設計的正確性。測試了電路的效率并完成了相應的損耗分析。

2 LLC諧振變換器特點和參數分析

2.1 LLC諧振變換器拓撲

圖1示出半橋型LLC諧振變換器結構。LLC諧振變換器存在兩個諧振頻率：Lr和Cr的諧振頻率

，Lr，Cr和Lm共同發生諧振頻率

。

通過仿真可知，當諧振變換器工作頻率處于fmfr時，次級整流二極管均能實現ZCS。以上兩種工況無法使變換器達到最優性能，因此不再進一步展開研究。

圖2示出半橋型LLC諧振變換器等效電路。當次級采用半波整流電路時，折算到初級的等效電阻Re=8n2RL/π2，n為變壓器匝比。由文獻推導可知uab和ucd交流基波電壓eab和ecd的增益為：

為便于對電路性能分析，將式(1)中一些參數進行定義。Lm/Lr定義為諧振電感系數K，反映了電路中電感參數的性質。

定義為品質因數Q，反映了串聯諧振元件和負載的相互特性。由以上分析可得直流增益為：

由式(2)可知，Gdc與K，n，Q及開關頻率有著密切關系。正確地選擇參數方能保證變換器滿足一定的性能指標。

2.2 參數分析

在n=6，fr=200 kHz，Q=0.4時，當K較小時，fm較大，最大Gdc較高;當K增大時，fm隨之減小，最大Gdc降低。fr不受K變化的影響。若K值選擇過大，可能導致不能達到最大Gdc的要求;若K值選擇過小，則Lm較小，通過Lm的電流峰值會相應增大以維持電壓不變，增大的電流會使電感銅損增大從而降低變換器效率。選擇K時需折中考慮。