半桥LLC谐振变换器设计与仿真

半桥LLC谐振变换器设计与仿真石祥花2010-10-261谐振变换器技术2LLC变换器的工作原理3Saber仿真结果分析1谐振变换器技术谐振变换器之所以得到重视和研究，是因为在谐振时电流或电压周期性过零，利用这一点实现软开关，可以降低开关损耗，提高功率变换器的效率。谐振功率变化器有以下三种：SRC（SeriesResonanceCircuit）、PRC（ParallelResonanceCircuit）、SPRC（Series-ParallelResonanceCircuit，又称LLC）。1.1SRC（串联谐振电路）+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-电路中电感与电容串联，形成一个串联谐振腔。这个谐振腔的阻抗与负载串联，则由于其串联分压作用，增益总是小于1。谐振腔的阻抗与频率有关，在其谐振频率fr下阻抗最小，此时的增益也最大。SRC的直流特性曲线根据电路的直流特性可知：①fsfr时,开关管Q--ZVS；②轻载时，fs要变化很大才能保证输出电压不变;③Vin增大时,fs增大使输出电压保持不变。此时谐振腔的阻抗也增大，则谐振腔内有很高的能量在循环，而并没有把这些能量供给负载，并且使半导体器件的应力增大。因此，串联谐振变换器存在一些不利因素：轻载调整率高、高的谐振能量、高输入电压时较大的关断电流。1.2PRC（并联谐振电路）+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-PRC的直流特性曲线根据其直流特性可知：①fsfr时，实现软开关；②轻载时，fs并不要变化很大来维持输出电压不变；③Vin增大时，fs增大来维持输出电压不变。此时谐振腔内循环的能量依然很大，即使是在轻载的条件下，由于负载与电容并联，仍然有一个比较小的串联阻抗。与SRC相比，PRC优点：在轻载时，频率变化不大即可保证输出电压不变。PRC的缺点：高的谐振能量、高输入电压时关断电流较大会引起较大的关断损耗。1.3SPRC（串并联谐振电路）+-***1Q2QsrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-prC串并联谐振电路有两种形式。LCC形式对于LCC电路，存在两个谐振频率：显然，fr2fr1。由直流特性曲线可知：①当fr2fsfr1时，MOSFET工作在ZCS区域，对于MOSFET而言，ZVS模式下开关损耗较ZCS模式要小；②为了满足ZVS，fsfr1，这样低频谐振点没有利用。从这个方案可以看出，可以利用双谐振网络来实现ZVS，如果将LCC的直流特性左右翻转，那么低频谐振点就可以利用上。因此，出现了特性较好的谐振变换器LLC结构。）prsrrrsrrrCCLfCLf//(212121+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DALLC形式对于LLC电路，存在两个谐振频率：显然，fr1fr2。由直流特性曲线可知：①当fsfr2时，MOSFET工作在ZVS区域，对于MOSFET而言，ZVS模式下开关损耗较ZCS模式要小；②在轻载时，LLC谐振变换器的开关频率变化很小，即使在空载时它也具备零电压开关能力。rmrrrrrCLLfCLf)212121（Back2LLC变换器的工作原理2.1LLC变换器的模态分析根据LLC谐振变换器的直流增益特性可以将其分为三个工作区域。通常将LLC谐振变换器设计工作在区域1和2，工作区域3是ZCS工作区。对于MOSFET而言，ZVS模式的开关损耗比ZCS模式的开关损耗要小。2.1.1工作区域2(fr2ffr1)模态1①M1:(t0tt1)t0时刻，Q2恰好关断，谐振电流Ir0，IDR1=0。Ir流经D1，使VQ1=0,为Q1ZVS开通创造条件。在这个过程中，PWM信号加在Q1上使其ZVS开通。+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DAQ1rILmIIoQ1ICrVt0t1t2t3(Ir从左向右为正）工作区域2——模态1①M1:(t0tt1)这时Vin加在谐振腔上，Ir增大到0，在这个过程中，由电磁感应定律知，同名端为“+”，副边DR1导通，此时副边电压即为输出电压。反推过去，原边电压即为恒定值（np*Vo/ns），则Lm处于恒压储能状态，其电流线性上升。+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DAQ1rILmIIoQ1ICrVt0t1t2t3工作区域2——模态2+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DAQ1rILmIIoQ1ICrVt0t1t2t3②M2:(t1tt2)t0~t1时段，Q1已经ON。谐振电流Ir从0开始以近似正弦规律增大，副边DR1依然导通，副边电压即为输出电压，那么原边电压是恒定值（np*Vo/ns），那么电流Ilm线性上升。工作区域2——模态2+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DAQ1rILmIIoQ1ICrVt0t1t2t3②M2:(t1tt2)此时工作在串联谐振状态，即Lr与Cr串联谐振，Lm上电压由于被箝位而只作为负载不参与谐振。在这个时段里,有Ir=Ilm+Inp。在t2时刻，Ir=Ilm。工作区域2——模态3+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DAQ1rILmIIoQ1ICrVt0t1t2t3③M3:(t2tt3)t2时刻，Inp=0,则副边电流也为0，即DR1ZCS关断，不存在反向恢复的问题。在这个时段，Q1依然导通。这时（Lr+Lm)与Cr形成串联谐振，由于时间较短，而且（Lm+Lr）也很大，认为电流保持不变，Ir=Ilm。在t3时刻，Q1关断，电流Ir（大于0）为ZVS开通Q2创造条件。工作区域2——模态3+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DAQ1rILmIIoQ1ICrVt0t1t2t3从这个模态可知，MOSFET的关断电流即为激磁电流，通过变压器的合理设计，使激磁电流比负载电流小的多，那么可以降低开关损耗。同时可知，ZVS开通是由于激磁电流所得，此时原副边断开，与负载电流无关，那么即使在零电流负载的条件下也能实现ZVS开通。工作区域2——模态4在下半个周期，其模态与上半个周期一样。(1)在t3时，Q1关断了，激磁电流流经D2-Cr-Lr-Lm形成回路，电流在减小;(2)由电磁感应定律知，同名端为“-”，副边DR2导通，此时副边电压为-Vo，原边电压为-(np*Vo/ns）;(3)电感Lm上的电流线性下降到0之前，将Q2开通，即实现了ZVS开通。而Ir的电流已正弦规律下降（这时是Lr与Cr谐振）。(4)然后同样的，达到，进入Lr+Lm与Cr谐振阶段，直到Q2关断，那么将进入下一个周期。2.1.2工作区域1（ffr1）模态1Q1rILmIIoQ1ICrVt0t1t22.1.2工作区域1（ffr1）+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DA①M1(t0tt1)t0时刻，Q2恰好关断，此时Lr的电流Ir0（从左向右记为正）。Ir流经D1，为Q1ZVS开通创造条件，并且Ir以正弦规律减小到0。2.1.2工作区域1（ffr1）模态1Q1rILmIIoQ1ICrVt0t1t22.1.2工作区域1（ffr1）+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DA①M1(t0tt1)由电磁感应定律知，副边DR1导通，副边电压即为输出电压Vo，则原边电压即为（np*Vo/np)，Lm上电压为定值，Ilm线性上升到0，此时Lr与Cr谐振。在这段时间里Q1开通。工作区域1——模态2+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DAQ1rILmIIoQ1ICrVt0t1t2②M2（t1tt2)Q1已经ON，Ir依然以正弦规律增大，Ilm依然线性上升,在t2时刻，Q1关断，但IrIlm，在Q1关断时，副边二极管依然导通,Ins依然有电流，同时Ir的存在，为Q2的ZVS开通创造了条件。工作区域1——模态3下半个周期与上半个周期类似。(1)在t2时刻，Q1关断，Ir电流流经D2，在这个过程中Q2开通，实现了ZVS开通，并且强制IrIlm;(2)Ilm电流开始减小，由电磁感应定律知，同名端为“-”，副边DR2导通，原边Lm电压恒定，其电流线性减小，直至Q2关断。工作区域1——总结总之，当ffr1时，依然有ZVS开通的特点，但是整个工作过程中，激磁电感Lm没有参与过谐振，都是Lr与Cr的串联谐振，所以认为这种工作模式与串联谐振类似，具备了串联谐振的优缺点。MOSFET关断电流为Ir的电流，较大，这样开关损耗也大；并且，副边整流二极管没有ZCS关断，存在反向恢复问题，同时存在损耗。比工作区域2的效率要低。2.1.3工作区域3（ffr2)区域3是MOSFET的ZCS工作区，因为在ffr2时，谐振腔阻抗呈容性，电压滞后于电流。在谐振变换器中，一般不设计在这个区域，所以这里将不详细讲解。2.2LLC变换器的直流特性分析2.2.1LLC变换器直流增益特性LLC的谐振网络可以等效如下图。图中Req为折算到原边的负载，其值为：oeqRnR228该网络的品质因数为：rreqCLRQ1首先计算该网络的传递函数：rreqmeqmjLjCjRLjRLjG1//)(//)((）mrrrmrrrrrrrrrLLCLjQLLCLjQCLCLCL)(222rrCL1rrrff其中，且进行归一化计算：令k=Lr/Lm,fn=f/fr，带入G(jw)化简得：kjQfkjQffffjGnnnnn)()(222)/1(/112nnnffjQfkk因此LLC谐振变换器的输入输出直流特性记为:),,(QfMn2222)1()1()2/(1),,(nnninonffQfkknVVQfM其增益特像曲线为：从增益特性曲线上可以看出：①当开关频率f在fr右边时，工作在ZVS状态；②当输入电压降低，可以降低开关频率使其增益增大；③当负载加重时，谐振频率会升高。2.2.2k=Lr/Lm对直流增益特性的影响不同k值下的直流增益曲线如下图，图中，横坐标为fn，纵坐标为增益M。在输入输出功率一定的变换器下，匝比n固定，在某一个Q下，直流增益曲线随k的变化情况：①当k增大时，其最大增益值在减小，那么在低输入电压下可能达不到要求的输出电压；2.2.2k=Lr/Lm对直流增益特性的影响不同k值下的直流增益曲线如下图，图中，横坐标为fn，纵坐标为增益M。②档k增大时，在一定的电压范围内为了达到要求的输出电压，LLC变换器的工作频率范围加宽，这对磁性元件的工作不利；k=1k=22.2.2k=Lr/Lm对直流增益特性的影响不同k值下的直流增益曲线如下图，图中，横坐标为fn，纵坐标为增益M。③当k减小，即Lm的值减小时，由于输出电压一定，那么在电感Lm上的电压是一个定值，由Lm(di/dt)=u得，电流的峰值变大。而原边开关管关断时的电流即为激磁电流，那么会使关断损耗较大；但是峰值电流过小，可能会影响零电压的开通。因此，在选择k值时应折中考虑。2.1.3Q对直流增益特性的影响不同Q值下的直流增益曲线如下图，图中，横坐标为fn，纵坐标为增益M。对于给定的谐振变换器，在n和k选定后，当Q值越大，其工作频率的变化范围就越窄（在fr2ffr1的工作模式下），这样有助于磁性元件的工作。BackQ=10Q=23Saber仿真结果分析3.1电路参数根据LLC谐振变换器的工作原理的分析，我们在实际应用中通常使其工作在区域2（fr1ffr2）。用Saber仿真时电路的参数如下：输入电压Vin=40