LLC谐振变换器设计与优化

LLC谐振变换器设计与优化廖鸿飞（fly)11LLC的工作原理22LLC的参数设计33LLC的设计步骤LLC的工作原理LLC拓扑结构输入变换谐振网络整流输出112rrrfLC212()rrmrfLLC软开关原理rImV当频率高于谐振频率，谐振网络将呈现感性，即电流滞后于电压，因此下管关断开关后，谐振电流将从Q1的寄生体二极管流过，使得Q1能实现ZVS。LLC的等效分析LLC的等效分析谐振槽路的输入为方波，有效值为：通过对其进行傅里叶分解得到其基波分量：2()sin(2)iFHAdcsVtVft2iFHAdcVVLLC的等效分析此分析同样适用于全波整流：RLD3D4D1D2C1AC1V1acIoILLC整流输出电流为正弦波，因此：222IoIpIac(rms)即：Iac(rms)Io22由功率守恒可得：oFHA22Eac(rms)VVo因此等效负载：L22Eac(rms)8Vo8RacRIac(rms)IoL28RoacR因此折算至原边的等效负载：2L2n8RacRLLC的等效分析因此谐振网络增益:22221(,,)111(1)()nnnnMfkQQfkkff输入输出关系:在复频域中，LLC电路可以简化为:omacinrmacrVSL//RM1VSLSL//RSCLLC的调节原理LLC电路可以简化为:RacCrV2LrLmrZoZ当负载Rac变化时，系统调整工作频率，改变Zr和Zo的分压比，使得输出电压稳定。轻载或空载时，Rac很大，近似开路，谐振频率变为：212()rrmrfLLC负载很大时，Rac很小，Lm的电流很小，谐振频率近似为：112rrrfLCLLC的增益曲线LLC有三种工作模式：1srff，1srff和21rsrfff在三种工作模式中有不同的特性，应根据设计要求进行选择。三种模式特点1srff1srff21rsrfff最理想的情况，谐振网络增益为1，负载变化不影响输出电压。谐振网络增益小于1，增益曲线平缓，负载调节特性较差。但输出电流脉动较小，输出二极管损耗较小。谐振网络增益大于1，增益曲线较陡，负载调节特性较好.LLC的工作波形1srff时的工作波形：LLC的工作波形1srff时的工作波形：LLC的工作波形12rsrfff时的工作波形：LLC的参数设计LLC的变压器变比LLC系统输入输出关系为：因此改变变压器的变比，可以改变LLC的工作模式。21222dciFHAdcoFHAooVVVHnMVVV即：112dcoVnVMLLC的变压器变比由于变压器原副边有漏感存在，即藕合系数不为1，因此原副边的理论变比a与实际变比n并不相等，由于漏感存在压降，所以理论变比大于实际变比。其关系为：mmrLnaLLK值的选取mrLkLK的取值将影响增益曲线的陡度，也就是影响LLC的负载调整率。K=1K=4K=16K的取值越大，曲线越平缓，要得到相同的增益，其频率变化越大K值的选取K值与效率的关系K值越小，意味着激磁电感越小，激磁电流越大，损耗越大。K值一般在3~7之间Q值的选取由：因此Q值越大，励磁电感越大，损耗越小。因此在满足软开关的条件下，Q值应尽量取最大值。由LLCZVS软开关的边界条件，即LLC谐振网络的阻抗为纯阻性，可以求出Qmax2orracacZfLQRRmrLkL可以得到：2roacacmfLZQRkR为留一定的裕量，通常取Q为（0.92~0.95）Qmax2maxmax2maxmax11QMkkMMQ值的选取对于同一个增益，不同负载下Q值是变化的，但Q值有一个最大值Qmax，如果QQmax,LLC将进入ZCS区域。Q值的另一限制当LLC运行于高输入电压，空载的情况下时，原边电流最小，需要确保在此情况下，LLC仍能实现软开关。(max)max()2zvsvdciFHAMAXinolnIVZf(max)(2)dczvsvdcossstayDIVCCTmax2max2(1)1nDZVSnaczvsfTQkfRCLLC的Q值应该小于Qmax和Qzvs死区时间选取在死区时间内，上下管同时处于关断状态，激磁电流对MOS管结电容进行充放电，使其电压为零，从而实现ZVS。Lm越大，激磁电流越小，激磁电流损耗越小，但所需的死区时间越大，有效工作时间越小，由此造成损耗越大。需折中选择励磁电感和死区时间。因此：max(max)(max)(2)(2)(2)4()dcossstaydcossstayDossstayrmzvsvdcmvdcVCCVCCTCCfLLIILLC的设计步骤LLC设计步骤1.计算理论变比与增益2.负载折算3.选择K值4.选择Q值5.计算谐振网络参数6.变压器计算7.计算器件应力LLC设计步骤2.计算最大，最小增益：3.负载折算：4.计算最大归一化频率：1.计算理论匝比：以理想情况下工作在谐振点处计算LLC设计步骤5.计算K值：6.计算最小输入电压，最大负载时保证ZVS的Q的最大值：7.计算最大输入电压，空载时保证ZVS的Q的最大值：8.选择以上Q值中的最小值为最终的Q值：LLC设计步骤9.计算最小开关频率：10.计算谐振网络参数：11.计算变压器的匝数：如果计算的最小开关频率太低或者太高，需要调整设定的谐振频率，直到最小开关频率为一个合理的值。LLC设计步骤12.副边电流：副边峰值电流：副边有效值电流：副边平均值电流：13.原边电流：原边峰值电流：原边有效值电流：原边励磁电流：谢谢！