多路均流输出LLC谐振变换器的设计与仿真*

亢玮冬，裴东兴*，沈大伟

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

多路均流输出LLC谐振变换器的设计与仿真*

亢玮冬1，2，裴东兴1，2*，沈大伟1，2

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

由于LED自身的特殊光电特性，所以无法直接使用交流市电进行驱动，需要专用的驱动电源进行驱动。为了给LED提供一个性能优良，均流效果好的多路输出驱动电源，详细介绍了半桥LLC谐振变换器的工作过程、电容无源均流的电路结构与原理，以及电路中各个关键参数的设计过程。设计了一台功率为38 W的基于LLC谐振变换器的两路输出LED均流样机，并且用Saber仿真软件搭建模型，进行了实验测试与分析。

谐振变换器；均流；仿真；驱动电源

近年来，能耗与供给的矛盾已经开始严重制约我们国家经济的发展，为了秉持可持续发展的科学发展观，降低能耗已经迫在眉睫［1］。由于LED具有很长的工作寿命，较高的亮度，而且环保，能够很好的节能已经在逐渐被人们认可。随着LED技术的发展，对LED要求越来越高。一些大功率LED照明的领域，需要多颗LED串联、并联或者串并联组合。在这种情况下如果各路LED的电流存在差异，将会使多路LED间的发光不均匀，甚至还有可能产生过流，损坏LED，因此LED要能够实现多路均流输出［2］。

1　系统总体设计方案和工作原理

总体设计采用的是以半桥LLC谐振电路为主电路，主电路主要包括方波发生，谐振网络，均流网络3部分。其中谐振网络的励磁电感由变压器的原边构成。变压器的次边则由平衡电容和整流输出回路组成，采用的是对称的全波整流结构。平衡电容来均衡两路LED电流，同时还能够折算回变压器的原边来参与谐振。系统的控制电路采用L6599芯片控制，通过改变开关频率来调节输出电压，并设置了一个固定的死区时间来保证软开关的正确进行。采样电路采用电流采样电路，对输出电流进行采样，经由LM358和 TL431构成恒流控制电路［3］。其中有TL431产生的基准电压经由分压电路进行分压，然后将产生的分压信号作为电流环的基准信号，当电流采样信号超过了基准信号时，光耦PC817会将电流信号耦合到原边控制电路来控制PWM信号，从而保持恒流。系统结构图如图1所示。

图1　系统结构框图

半桥LLC谐振变换器能实现开关管的零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS），使开关管的损耗得以降低，减小了体积和重量。它的性价比很高，效率也很高，是制作大功率LED驱动电源的最佳选择［4］。

LLC谐振均流电路的主电路拓扑如图2所示，LLC谐振变换器包括方波产生电路、谐振网络和和均流整流网络［5］。其中半桥逆变网络由开关管Q1、Q2构成，Q1、Q2占空比为50%，存在一定的死区时间。谐振网络由谐振电容Cr，谐振电感Lr以及变压器的原边电感Lm组成。拓扑中的变压器为理想变压器。次边有平衡电容Cb，整流二极管D1～D4构成两路整流输出，采用的是对称的全波整流结构，能够实现两路均流输出［6］。其中半桥LLC谐振有两个谐振频率，分别为：

图2　LLC谐振均流电路的主电路

2　半桥LLC谐振电路的波形分析

在开关周期内，LLC有8个工作阶段。波形如图3所示。

图3　半桥LLC谐振变换器波形

波形分析如下：

阶段1（t0～t1）在t0时刻，开关管Q1和Q2都处于关断的状态。谐振电流流过开关管Q1的寄生二极管，实现了Q1的ZVS（零电压开关）开通。谐振电流此时处于负半周，并且在以正弦波的方式在减小。在t1时刻之前，流过Q1的电流已经下降至零，此时电流iLr大于电流iLm，次边的感应电压经由D1、D2和Cb向负载供电，此阶段Cb放电。t1时刻时，iLr变为正，Q1的寄生二极管关断。

阶段2（t1～t2）t=t1时刻，Q1正向导通，电流流过由负变正，iLm将线性增大。由于开关周期大于谐振周期，将出现iLr与iLm相等，导致原边次边电流为零，iLm达到最大值。

阶段3（t2～t3）t=t2时，D1、D3截止，实现零电流关断，此时iLm达到最大值。变压器将在原边形成一个串联谐振回路；变压器次边Cb放电通过D2、D4给LED2供电，与此同时C4放电，维持LED1工作。到t3时刻，Q1关断，此时桥臂中点的输出电压与电源电压相等。

阶段4（t3～t4）t3时刻，Q1、Q2关断，进入死区，Lr放电，Cr继续充电。此时iLr下降速度比iLm快，两者之间的电流差值为流过变压器原边的电流值。到了t4时刻，Cb放电已经结束，两端二极管导通，Q2实现零电压开通。

下半周期同上半周期相比电路工作过程相似，只是相应的电流方向相反，下半周期工作的波形与上半周期完全对称［7］。

通过上面的分析可以知道，当 fm＜f＜fs时，主开关管Q1和Q2在零电压开通条件下工作，输出的整流二极管D1～D4在零电流关断条件下工作，这就说明了半桥LLC谐振电路能够很好地实现软开关控制，这样就使得变换电路的效率大大提高。

跟普通的LLC谐振电路相比，本电路次边多了一个平衡电容，根据上述工作原理的分析，可以了解到平衡电容让变压器次边的整流二极管的换流更容易实现，缩短了二极管的反向恢复时间，减小了关断损耗；并且谐振电路中的能量传递到次边后，要减去平衡电容中储存的能量，抑制了电路效率的提高。

3　LLC的参数设计

参数设计计算流程图如图4所示。

图4　参数设计计算流程图

（1）变压器的变比N：

（2）确定品质因数Q：

实现ZVS的条件之一是发生在最小输入电压及最大增益时，此时

实现ZVS另一个条件是发生在最大输入电压及空载时，可以得到最大归一化频率为

由下式可得QZVS2的取值：

由下式取合适的品质因数，并且留有一定的裕量

（3）谐振电容Cr：

（4）谐振电感Lr：

（5）励磁电感Lm：

通过计算出这些参数的值，便可以进行LLC谐振变换器主电路设计，通过这些值我们可以得到励磁电流峰值是大于td时刻的谐振电流的，所以满足开关管零电压导通的条件［8］。

4　电路仿真与实验结果

4.1电路仿真

按照上述参数设计原则，设计了一款38 W的两路均流LED驱动电源，采用了LLC谐振变换器拓扑结构，额定输入电压为350 V。通过Saber软件进行仿真，但由于软件中没有L6599芯片，所以本次仿真只能进行开环仿真。根据参数设计中的取值：变比为3.14，谐振频率 fr=100 kHz，谐振电容Cr= 15.8nF，谐振电感Lr=160μH，励磁电感Lm=800 μH，均流电容Cb=100nF。

仿真所得波形如图5～图7所示。

图5　谐振电感电流iLr和励磁电感电流iLm

图6　桥臂中点输出电压Vn和驱动电压Vp

图7　谐振电容电压Vcr

如图5为谐振电感电流iLr和励磁电感电流iLm的波形（其中实线为谐振电感电流，虚线为励磁电感电流），从图中可以看到由于谐振电感，励磁电感和谐振电容在此阶段共同产生谐振，此时变压器副边电流基本为零，导致iLr有些时间几乎趋于不变。从图6的波形图（其中虚线为驱动电压，实线为桥臂中点输出电压）可以清楚地看到电路有软开关。从图7可以看出由于参数的选择，使得电路并没有完全谐振，所以波形有些误差。分析这些波形可以知道电路是工作在感性区域内，可以同时实现开关管的零电压开通以及次级二极管的零电流关断从而能避免反向恢复。而且通过计算出的两路负载电阻、输出电压、输出电流及电流误差。我们发现误差没超过5%，因此有较好的均流效果。

4.2实验结果分析

当输入为250 V交流时两路负载输出的电流波形，其中两路阻值均为170Ω。图形如图8和图9所示。

图8　第1路LED电流波形

图9　第2路LED电流波形

因此，可见在两路负载相等的情况下基本能够实现均流。

当输入为250 V交流时两路LED负载电流波形，其中第1路的阻值为170Ω，第2路的阻值为120Ω。图形如图10和图11所示。

图10　第1路LED电流波形

图11　第2路LED电流波形

因此可以看出：两路电流基本一致，因此在两路负载不相等的情况下也可以实现均流。

5　结语

通过分析半桥LLC谐振变换器的工作过程、电容无源均流的电路结构与原理，以及电路中各个关键参数的设计过程［9］。设计了一款38 W功率的两路输出LED均流样机。利用Saber电路仿真软件对电路进行了仿真，并分析所得的波形，仿真结果表明LLC变换器的开关管能在较宽的负载范围内实现零电压开通，并且能够实现两路均流输出，验证了实验的可行性。

［1］陈为，王小博.一种具多路LED自动均流功能的反激式磁集成变换器［J］.中国电机工程学报，2012，30：30-36+7.

［2］罗全明，邹灿，支树播，等.基于无源谐振恒流网络的多路输出LED驱动电源［J］.中国电机工程学报，2013，33（18）：73-79.

［3］李磊.LED照明电源的研究与设计［D］.南京：南京理工大学，2013.

［4］于晓强，林国庆，强京.基于LLC变换器的多路LED自动均流策略研究［J］.中国照明电器，2013，11：20-29.

［5］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，2010，33（5）：587-590.

［6］梁国辉，谢谦，王曾，等.基于LLC谐振的多路输出LED路灯恒流驱动电路［J］.微电子学，2011，41（5）：668-671.

［7］黄欣，廖鹏飞，杨云，等.基于LLC谐振拓扑的高集成度LED恒流驱动电路［J］.微电子学，2013，43（4）：480-483.

［8］赵连玉，石鹏，岳有军，等.高效半桥LLG谐振变换器的参数设计及仿真［J］.自动化与仪表，2014，29（10）：65-68.

［9］蒋婷.多路输出LED驱动器混合均流技术研究［D］.浙江：浙江大学，2014.

亢玮冬（1991-），男，中北大学在读研究生，主要研究方向为智能动态测控，274892170@qq.com；

裴东兴（1970-），男，山西襄汾，汉族，现为中北大学教授，主要研究方向为恶劣环境下动态信息的获取及校准技术，peidongxing@nuc.edu.cn；

沈大伟（1979-），男，山西太原，讲师，汉族，中北大学博士研究生，研究方向为动态测控与智能仪器设计，bensdw@sina.com。

Design and Simulation of a Multi-Current-Sharing Output LLC Resonant Converter*

KANG Weidong1，2，PEI Dongxing1，2*，SHEN Dawei1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Due to the special photoelectric properties itself，LED cannot be directly driven by commercial power，thus special power supply is in need.In order to provide LED a multi-output drive power with good performance and current-sharing effect，the working process of half bridge LLC resonant converter is introduced，the principle and circuit structure of capacitive passive current sharing，and the process during designing parameters in the circuit，then a 38 W power dual-output LED current-sharing prototype is designed based on LLC resonant converter.By using Saber simulation software，the model of the prototype is built，and its experimental test and analysis are performed finally.

resonant converter；current sharing；simulation；driving power

TP206.1

A

1005-9490（2016）05-1199-05

2015-09-19修改日期：2015-12-05

EEACC:1290B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.035