半桥型LLC变换器稳态建模与参数设计

2014-01-21 00:53:00李尹泉康亚东

电子设计工程 2014年21期

李尹泉，尹斌，康亚东

（河海大学能源电气学院，江苏南京 211100）

谐振变换器相对PWM变换器，具有开关工作频率高、开关损耗小、允许输入电压范围宽、效率高、重量轻、体积小、EMI噪声小、开关应力小等优点。LLC谐振变换器具有原边开关管易实现全负载范围内的ZVS，次级二极管易实现ZCS，谐振电感和变压器易实现磁性元件的集成，以及输入电压范围宽等优点，得到了广泛的关注。本文介绍了半桥型LLC谐振变换器谐振网络的稳态模型，并给出了参数设计方法，最后通过仿真分析了设计方法的正确性。

1 LLC谐振变换器电路拓扑及其工作原理

半桥型LLC谐振变换器拓扑结构如图1所示。采用存在固定死区时间的50%占空比互补驱动来变频工作。谐振网络具有选频特性。由于LLC谐振电路存在谐振电感和，因此电路有两个谐振频率。

2 稳态建模分析

LLC谐振变换器的开关管以占空比为0.5的互补方式开通，谐振网络的输入电压是幅值Vbus的方波，傅里叶级数展开式：

图1 LLC谐振变换器的拓扑结构Fig.1 The structure of LLC resonant converter

由于谐振网络相当于选频网络，只有Vs（t）的基波分量经谐振网络传送到负载侧[1]。LLC电路工作在零电压区域，输入基波电流 ir1（t）要滞后于输入基波电压 Vs1（t）一定相位，因此输入基波电流ir1（t）可表示为：

全波整流的输入电压是幅值为Vo的方波，相位与输入电流相位以及谐振电流相位一致。全波整流的输入电压傅里叶级数展开为：

副边全波整流电路的输入电流基波分量可以表示为：

式中，Irect1（t）为整流电路输入电流基波分量有效值。输出平均电流为：

从而，可得负载电阻换算到初级的等效电Req阻为：

可以得到谐振网络电路等效，如图2所示。

图2 等效谐振网络Fig.2 The equal circuit of resonance

由图2可以得出谐振变换器的传递函数：

使用MathCAD[2]软件绘出谐振网络的直流增益特性曲线，如图3、图4所示。

图3 不同值下的直流增益特性曲线（n=0.9，Q=0.5）Fig.3 Different gain curve under different Q

图4 k变化时直流增益曲线（n=0.9，Q=0.32）Fig.4 Different gain curve under different k

3 主电路元件参数计算

输出功率：Po=200 W；最大输入电压：Vbus_max=412 V；最小输入电压：Vbus_min=360 V；额定输入电压：Vbus_mormal=360 V；输出电压电流：Vo=22 V，Io=0.9 A；输出二极管电压压降：Vof=1.2 V；谐振频率：fr=200 kHz，最高频率fmax=250 kHz。

1）计算理论变压器匝数比N[3-6]：

选择实际变比：N=0.9

2）计算最高、最低输入电压增益 Mmin、Mmax：

3）最大归一化频率

4）选取k计算Q：

4 Saber仿真结果

为验证半桥型LLC参数选择的有效性，建立了基Saber的仿真模型。仿真结果如图所示。

图5 满载Fig.5 Full load

图6 空载Fig.6 Empty load

图5 是满载时相关波形，图6是空载时相关波形。由图可以看出，从空载到满载原边开关管实现了ZVS，次级二极管实现了ZCS。

5 结论

文中通过基波分析法，对半桥型LLC谐振变换器进行了稳态建模分析，并给出了半桥型LLC的参数设计方法。最后通过Saber仿真验证了开关管在所选参数下实现了ZVS，二极管实现了ZCS，所选参数的合理性。

[1]段建华.照明用大功率LED恒流驱动技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[2]郭仁春.Mathcad在信号与系统中的应用[M].北京：北京大学出版社，2012.

[3]陈越，吴新科，钱照明.基于LLC拓扑的宽电压输出LED驱动电源研究[J].电力电子技术，2011（3）:79-81.CHEN Yue，WU Xin-ke，QIAN Zhao-ming.Research on wide range output LED driver based on LLC topology[J].Power Electronic，2011（3）:79-81.

[4]张振银，秦会斌，刘琦，等.基于LLC的半桥谐振变换器设计[J].电子器件，2010（5）:5-8.ZHANG Zhen-yin，QIN Hui-bin，LIU Qi，et al.Modeling and design of half-bridge LLC resonant converter[J].Electronic Devices，2010（5）:5-8.

[5]江雪，龚春英.LLC半桥谐振变换器参数设计法的比较与优化[J].电力电子技术，2009（11）:56-58.JIANG Xue，GONG Chun-ying.Comparison and optimization for LLC half-bridge resonant converter parameter design[J].Power Electronics，2009（11）:56-58.