半橋LLC諧振變換器設(shè)計(jì)與仿真通用PPT課件

1、半橋LLC諧振變換器設(shè)計(jì)與仿真石祥花2010-10-261 諧振變換器技術(shù)2 LLC變換器的工作原理3 Saber仿真結(jié)果分析1 諧振變換器技術(shù) 諧振變換器之所以得到重視和研究，是因?yàn)樵谥C振時(shí)電流或電壓周期性過零，利用這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，可以降低開關(guān)損耗，提高功率變換器的效率。 諧振功率變化器有以下三種：SRC（Series Resonance Circuit）、PRC（Parallel Resonance Circuit）、SPRC（Series-Parallel Resonance Circuit，又稱LLC）。1.1 SRC（串聯(lián)諧振電路） 電路中電感與電容串聯(lián)，形成一個(gè)串聯(lián)諧振腔。這個(gè)諧

2、振腔的阻抗與負(fù)載串聯(lián)，則由于其串聯(lián)分壓作用，增益總是小于1。諧振腔的阻抗與頻率有關(guān)，在其諧振頻率fr下阻抗最小，此時(shí)的增益也最大。SRC的直流特性曲線根據(jù)電路的直流特性可知： fsfr時(shí),開關(guān)管 Q-ZVS； 輕載時(shí)，fs要變化很大才能保證輸出電壓不變; Vin增大時(shí),fs增大使輸出電壓保持不變。 此時(shí)諧振腔的阻抗也增大，則諧振腔內(nèi)有很高的能量在循環(huán)，而并沒有把這些能量供給負(fù)載，并且使半導(dǎo)體器件的應(yīng)力增大。 因此，串聯(lián)諧振變換器存在一些不利因素：輕載調(diào)整率高、高的諧振能量、高輸入電壓時(shí)較大的關(guān)斷電流。1.2 PRC（并聯(lián)諧振電路）PRC的直流特性曲線根據(jù)其直流特性可知： fsfr時(shí)，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)

3、； 輕載時(shí)，fs并不要變化很大來維持輸出電壓不變； Vin增大時(shí)，fs增大來維持輸出電壓不變。 此時(shí)諧振腔內(nèi)循環(huán)的能量依然很大，即使是在輕載的條件下，由于負(fù)載與電容并聯(lián)，仍然有一個(gè)比較小的串聯(lián)阻抗。 與SRC相比，PRC優(yōu)點(diǎn)：在輕載時(shí)，頻率變化不大即可保證輸出電壓不變。 PRC的缺點(diǎn)：高的諧振能量、高輸入電壓時(shí)關(guān)斷電流較大會引起較大的關(guān)斷損耗。1.3 SPRC（串并聯(lián)諧振電路）串并聯(lián)諧振電路有兩種形式。LCC形式對于LCC電路，存在兩個(gè)諧振頻率：顯然，fr2fr1。由直流特性曲線可知： 當(dāng)fr2fsfr1，這樣低頻諧振點(diǎn)沒有利用。 從這個(gè)方案可以看出，可以利用雙諧振網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)ZVS，如果將LC

4、C的直流特性左右翻轉(zhuǎn)，那么低頻諧振點(diǎn)就可以利用上。因此，出現(xiàn)了特性較好的諧振變換器LLC結(jié)構(gòu)。LLC形式對于LLC電路，存在兩個(gè)諧振頻率：顯然，fr1fr2。由直流特性曲線可知： 當(dāng)fsfr2時(shí)，MOSFET工作在ZVS區(qū)域，對于MOSFET而言，ZVS模式下開關(guān)損耗較ZCS模式要??； 在輕載時(shí)，LLC諧振變換器的開關(guān)頻率變化很小，即使在空載時(shí)它也具備零電壓開關(guān)能力。Back2 LLC變換器的工作原理2.1 LLC變換器的模態(tài)分析 根據(jù)LLC諧振變換器的直流增益特性可以將其分為三個(gè)工作區(qū)域。 通常將LLC諧振變換器設(shè)計(jì)工作在區(qū)域1和2，工作區(qū)域3 是ZCS工作區(qū)。對于MOSFET而言，ZVS模

5、式的開關(guān)損耗比ZCS模式的開關(guān)損耗要小。2.1.1 工作區(qū)域2(fr2ffr1) 模態(tài)1 M1:(t0tt1)t0時(shí)刻，Q2恰好關(guān)斷，諧振電流Ir0，IDR1=0。Ir流經(jīng)D1，使VQ1=0,為Q1 ZVS開通創(chuàng)造條件。 在這個(gè)過程中，PWM信號加在Q1上使其ZVS開通。(Ir從左向右為正）工作區(qū)域2模態(tài)1 M1:(t0tt1)這時(shí)Vin加在諧振腔上，Ir增大到0，在這個(gè)過程中，由電磁感應(yīng)定律知，同名端為“+”，副邊DR1導(dǎo)通，此時(shí)副邊電壓即為輸出電壓。反推過去，原邊電壓即為恒定值（np*Vo/ns），則Lm處于恒壓儲能狀態(tài)，其電流線性上升。工作區(qū)域2模態(tài)2 M2:(t1tt2)t0t1時(shí)段，

6、Q1已經(jīng)ON。諧振電流Ir從0開始以近似正弦規(guī)律增大，副邊DR1依然導(dǎo)通，副邊電壓即為輸出電壓，那么原邊電壓是恒定值（np*Vo/ns），那么電流Ilm線性上升。工作區(qū)域2模態(tài)2 M2:(t1tt2) 此時(shí)工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，即Lr與Cr串聯(lián)諧振，Lm上電壓由于被箝位而只作為負(fù)載不參與諧振。 在這個(gè)時(shí)段里,有Ir=Ilm+Inp。在t2時(shí)刻，Ir=Ilm。工作區(qū)域2模態(tài)3 M3:(t2tCr-Lr-Lm形成回路，電流在減小; (2)由電磁感應(yīng)定律知，同名端為“-”，副邊DR2導(dǎo)通，此時(shí)副邊電壓為-Vo，原邊電壓為-(np*Vo/ns）; (3)電感Lm上的電流線性下降到0之前，將Q2開通，即實(shí)

7、現(xiàn)了ZVS開通。而Ir的電流已正弦規(guī)律下降（這時(shí)是Lr與Cr諧振）。 (4)然后同樣的，達(dá)到，進(jìn)入Lr+Lm與Cr諧振階段，直到Q2關(guān)斷，那么將進(jìn)入下一個(gè)周期。2.1.2 工作區(qū)域1（ffr1） 模態(tài)12.1.2 工作區(qū)域1（ffr1） M1(t0tt1) t0時(shí)刻，Q2恰好關(guān)斷，此時(shí)Lr的電流Irfr1） 模態(tài)12.1.2 工作區(qū)域1（ffr1） M1(t0tt1) 由電磁感應(yīng)定律知，副邊DR1導(dǎo)通，副邊電壓即為輸出電壓Vo，則原邊電壓即為（np*Vo/np)，Lm上電壓為定值，Ilm線性上升到0，此時(shí)Lr與Cr諧振。在這段時(shí)間里Q1開通。工作區(qū)域1模態(tài)2 M2（t1tIlm，在Q1關(guān)斷時(shí)，

8、副邊二極管依然導(dǎo)通,Ins依然有電流，同時(shí)Ir的存在，為Q2的ZVS開通創(chuàng)造了條件。工作區(qū)域1模態(tài)3 下半個(gè)周期與上半個(gè)周期類似。 (1)在t2時(shí)刻，Q1關(guān)斷，Ir電流流經(jīng)D2，在這個(gè)過程中Q2開通，實(shí)現(xiàn)了ZVS開通，并且強(qiáng)制IrIlm; (2)Ilm電流開始減小，由電磁感應(yīng)定律知，同名端為“-”，副邊DR2導(dǎo)通，原邊Lm電壓恒定，其電流線性減小，直至Q2關(guān)斷。工作區(qū)域1總結(jié) 總之，當(dāng)ffr1時(shí)，依然有ZVS開通的特點(diǎn)，但是整個(gè)工作過程中，激磁電感Lm沒有參與過諧振，都是Lr與Cr的串聯(lián)諧振，所以認(rèn)為這種工作模式與串聯(lián)諧振類似，具備了串聯(lián)諧振的優(yōu)缺點(diǎn)。 MOSFET關(guān)斷電流為Ir的電流，較大，

9、這樣開關(guān)損耗也大；并且，副邊整流二極管沒有ZCS關(guān)斷，存在反向恢復(fù)問題，同時(shí)存在損耗。比工作區(qū)域2的效率要低。2.1.3 工作區(qū)域3（ffr2) 區(qū)域3是MOSFET的ZCS工作區(qū)，因?yàn)樵趂fr2時(shí)，諧振腔阻抗呈容性，電壓滯后于電流。在諧振變換器中，一般不設(shè)計(jì)在這個(gè)區(qū)域，所以這里將不詳細(xì)講解。2.2 LLC變換器的直流特性分析2.2.1 LLC變換器直流增益特性 LLC的諧振網(wǎng)絡(luò)可以等效如下圖。 圖中Req為折算到原邊的負(fù)載，其值為：該網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)為：首先計(jì)算該網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)：其中，且 進(jìn)行歸一化計(jì)算：令 k=Lr/Lm,fn=f/fr，帶入G(jw)化簡得：因此LLC諧振變換器的輸入輸出直

10、流特性記為:其增益特像曲線為： 從增益特性曲線上可以看出：當(dāng)開關(guān)頻率f在fr右邊時(shí)，工作在ZVS狀態(tài)；當(dāng)輸入電壓降低，可以降低開關(guān)頻率使其增益增大；當(dāng)負(fù)載加重時(shí)，諧振頻率會升高。2.2.2 k=Lr/Lm對直流增益特性的影響 不同k值下的直流增益曲線如下圖，圖中，橫坐標(biāo)為fn ， 縱坐標(biāo)為增益M。 在輸入輸出功率一定的變換器下，匝比n固定，在某一個(gè)Q下，直流增益曲線隨k的變化情況： 當(dāng)k增大時(shí)，其最大增益值在減小，那么在低輸入電壓下可能達(dá)不到要求的輸出電壓；2.2.2 k=Lr/Lm對直流增益特性的影響 不同k值下的直流增益曲線如下圖，圖中，橫坐標(biāo)為fn ， 縱坐標(biāo)為增益M。 檔k增大時(shí)，在一

11、定的電壓范圍內(nèi)為了達(dá)到要求的輸出電壓，LLC變換器的工作頻率范圍加寬，這對磁性元件的工作不利；k=1k=22.2.2 k=Lr/Lm對直流增益特性的影響 不同k值下的直流增益曲線如下圖，圖中，橫坐標(biāo)為 fn， 縱坐標(biāo)為增益M。 當(dāng)k減小，即Lm的值減小時(shí)，由于輸出電壓一定，那么在電感Lm上的電壓是一個(gè)定值，由 Lm(di/dt)=u得，電流的峰值變大。而原邊開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電流即為激磁電流，那么會使關(guān)斷損耗較大；但是峰值電流過小，可能會影響零電壓的開通。因此，在選擇k值時(shí)應(yīng)折中考慮。2.1.3 Q對直流增益特性的影響 不同Q值下的直流增益曲線如下圖，圖中，橫坐標(biāo)為 fn， 縱坐標(biāo)為增益M。 對于給定的諧振變換器，在n和k選定后，當(dāng)Q值越大，其工作頻率的變化范圍就越窄（在fr2ffr1的工作模式下），這樣有助于磁性元件的工作。BackQ=10Q=23 Saber仿真結(jié)果分析3.1 電路參數(shù) 根據(jù)LLC諧振變換器的工作原理的分析，我們在實(shí)際應(yīng)用中通常使其工作在區(qū)域2（fr1ffr1的工作波形 從圖上可以看出，Q1此時(shí)沒有實(shí)現(xiàn)ZVS 的開通，在開通時(shí)，有200多伏的電壓，副邊整流二極管也不在是ZCS 關(guān)斷。