26 V输出LLC谐振变换器研究

万志华，张昊东，申宏伟，李 信

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

0 引 言

随着电力电子技术的不断发展，对开关电源产品提出越来越高的性能指标要求，即更高的功率密度、更高的工作效率以及更小的体积等。采用软开关技术，在降低功率管开关损耗的同时，又能提高变换器的开关频率，有利于减小磁性器件的体积，同时满足电磁兼容性能要求。采用LLC谐振变换技术，可实现全负载范围内的软开关，有效提高电源的工作效率，其电路拓扑简单，可靠性高，已成为开关电源发展的主流技术。

本课题研究采用LLC谐振技术，同时通过对新兴SiC功率MOSFET的应用，减少开关损耗，电源效率得以提升。课题研制了一台额定输出26 V，功率为1 kW的DC/DC变换器样机，样机尺寸达到（190×150×73）mm3，最高效率达到94.7%。

1 开关电源参数设计

1.1 开关电源技术指标要求

输入电压范围为额定直流530 V，在直流450～600 V范围内可以正常工作。额定输出电压为直流（26±2）V，额定输出功率为1 kW。变换器采用单级LLC谐振变换结构，通过调节变换器开关频率实现对增益的调节，从而实现变换器稳压输出。

1.2 LLC拓扑工作原理

LLC谐振变换器电路拓扑如图1所示，课题采用半桥结构实现电路的LLC谐振变换，开关管Q1和Q2构成上下半桥，驱动信号采用略低于50%固定占空比的互补信号。该驱动信号通过控制芯片产生，并根据电源增益变化作调频处理。串联电容Cr、电感Lr以及变压器激磁电感Lm构成LLC谐振回路。在变压器副边，输出采用二极管整流，输出电压经输出电容Co滤波后供负载使用[1]。

LLC谐振变换电路有两个谐振点，分别是串联谐振频点和并联谐振频点，计算公式分别为：

其增益特性曲线如图2所示。

图2 LLC谐振变换增益特性曲线

为实现电源增益的调节，提升变换器的效率，实现原边开关管的ZVS以及同步整流管的ZCS，区域2为LLC谐振变换器的最佳工作频率区间[2]。

1.3 LLC谐振网络参数设计

变换器通过调频改变电源增益，无法实现宽范围调压，考虑变换器输入输出范围及功率要求，为满足变换器的增益范围，对变换器谐振参数进行如下设计。

1.3.1 确定主功率变压器匝比n根据等效电路增益公式：

求得n≈10.2，取整数10。

1.3.2 确定电感系数k

为了合理选择，应首先分析在其他参数不变的情况下，k对变换器特性的影响。直流特性曲线随k值变化情况如图3所示，可以看出随着电感系数k的不断增大，增益曲线在渐渐变缓，其最大增益也随之变小，这就意味着当输入电压较小时，无法通过改变开关频率使得系统调节到所需的输出电压。同时随着k增加，拐点频率下降，假定串联谐振频率fr1已经确定，意味着要达到相同的电压调节能力，需要增大变换器的工作频率范围，这样不仅增大了功率开关管的开关损耗，而且更不利于磁性器件的稳定工作，因此电感系数k值的选取不能过大。但是，若电感系数k取值过小，意味着并联电感Lm减小，在相同的输出箝位电压下，并联电感中的环流电流增大，变换器的损耗增大[3]。

图3 直流特性曲线随k值变化情况

考虑变换器的调压范围以及磁性器件的设计损耗，k值作折中选取，取k=6。

1.3.3 设计谐振网络

令：

本课题=G·2n=0.049×20=0.98，考虑一定裕量，取=1.1，根据式（4）可知，当k=6、峰值增益为1.1时，对应的Q值为QFL=0.53，选取串联谐振频率fr1=130 kHz[4]。

计算满载时的等效负载阻抗为：

式中，Uo为输出电压，Po为输出功率，n为变压器变比。根据QFL、fr1和Rac.FL可计算谐振网络参数为：

采用两个22 nF电容并联，Cr为44 nF。则：

以上完成了变换器的谐振参数设计。

2 器件设计及选型

2.1 功率开关管

功率开关管采用碳化硅器件，相比于普通硅基器件，其具有工作温度更高、工作电压更大以及损耗更小的特点[5]。课题选用SiC MOSFET的型号为C2M0080120D，它可以耐受1 200 V的高压，且其RDS仅为80 mΩ，额定导通电流为24 A，满足变换器的应用要求，并留有充足裕量。且其驱动电路设计更简单，电路易于实现。

2.2 串联谐振电容

串联谐振电容Cr取42.13 nF，考虑电容的耐压范围，课题并联使用两只22 nF的可耐受650 V AC/1 600 V DC高电压的薄膜电容，满足应用要求。

2.3 谐振电感

串、并联谐振电感统一采用PQ26-20型磁芯，电感量公式为：

式中：la为气隙长度，取为3 mm；N为线圈匝数；μ0为真空磁导率，且μ0=4π×10-7；Ae=123 mm2。

可知，串联谐振电感线圈匝数为：

取Nr=26。

并联谐振电感匝数为：

取Nm=63。

2.4 变压器设计

主变压器采用定制磁芯，已知变压器变比为10∶1，取原边线圈绕组匝数Np=20，则副边匝数Ns=2。

2.5 整流二极管选型

变换器额定功率为1 kW，输出电流最大为40 A，考虑电压、电流充分降额，选用VISHAY公司生产型号为VS-63CPQ100PbF肖特基二极管，其耐压为100 V，额定电流为60 A。采用两个二极管并联，满足整流二极管的耐压要求，同时可降低整流损耗。

3 方案及图纸设计

基于上述设计选型，课题首先对电源的原理框图进行设计，形成的设计方案如图4所示，并照此方案完成了电源电路图及PCB的设计。

图4 电源系统原理

为充分利用空间，提升电源的功率密度，采用主功率板和控制板分开、将控制板插接在主功率板的形式进行PCB设计，如图5所示。

图5 电源主功率板及控制板

4 样机测试

基于上述方案及电路设计，生产了一台电源样机进行实物验证，如图6所示。

图6 样机及测试

测试样机半桥功率管的驱动波形如图7所示。图中可见，两驱动信号互补，且驱动频率为130 kHz，符合预期设定。根据图8，当驱动电压上升，即功率开关管将要开通时，其D、S极间电压下降到0 V，半桥功率管实现了零电压开通。

图7 功率开关管驱动波形

图8 功率开关管ZVS波形

测试样机输出电压为26 V、输出电流为10 A时，不同输入电压与其对应开关频率的关系，并对相应开关频率的等效增益进行计算，并搭建了26 V输出的LLC谐振变换器仿真模型，如图9所示，并就样机等效增益与仿真模型的等效增益进行对比，如表1所示。

图9 LLC谐振变换器仿真模型

表1 开关频率与增益的关系

LLC谐振变换器的增益如图10所示，随着开关频率的提高，变换器的等效增益逐渐降低，且测试样机的等效增益与仿真模型的等效增益结果相吻合。

图10 变换器开关频率与等效增益的关系

不同负载下的纹波大小如表2所示，输入电压为530 V，输出电压为26 V。结果表明，样机的纹波电压在280 mV以内，满足控制系统供电要求。

表2 不同负载下的纹波大小

对样机进行效率测试，结果如表3所示。

表3 不同负载（输出电流）下的效率

通过表3可以看出，变换器随着负载的不断增加，其效率逐渐上升，当加载到20 A以上时，效率达到94.5%以上。此后电流不断提高，效率有所下降，但保持在高于94%的较高水平。

5 结 论

基于某控制系统的应用要求，课题基于LLC变换技术，并采用新型SiC功率器件，通过理论设计与样机研究，完成了一台额定输出为26 V，功率为1 kW变换器样机的设计研制。通过对其进行性能测试及试验，电源的功率开关管实现了零电压开通，同时通过与仿真结果进行比较，验证了变换器开关频率在最佳工作区域时，电源增益随着开关频率的不断提升而下降。对变换器进行纹波测试及效率测试，其最大纹波在300 mV以内，效率达到94.7%，满足变换器的应用需求。