寬電壓輸入半橋型LLC諧振變換器設(shè)計與實驗
摘要:半橋型LLC諧振變換器由于拓撲簡單、工作效率高而得到廣泛研究。此處針對寬電壓輸入的工作情況,采用脈沖頻率調(diào)制(PFM),避免了傳統(tǒng)PWM控制占空比變化范圍大的問題。為了提升變換器效率,對各關(guān)鍵諧振參數(shù)進行設(shè)計,分析了其對電源輸出特性的影響,使得初級開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開通(ZVS),次級二極管實現(xiàn)零電流關(guān)斷(ZCS)。結(jié)合理論數(shù)學(xué)推導(dǎo)和增益曲線分析,設(shè)計了一臺100 W的變頻半橋型LLC諧振變換器樣機,并完成了相關(guān)實驗,驗證了參數(shù)設(shè)計的正確性,樣機的最大效率達到93.95%。同時對變換器進行了損耗分析,以便進一步優(yōu)化設(shè)計。
關(guān)鍵詞:變換器;寬電壓輸入;脈沖頻率調(diào)制
1 引言
半橋型DC/DC變換器廣泛用于中小功率場合。通過增大開關(guān)頻率,可有效減小電源體積和重量,但會增加開關(guān)管損耗,影響電源電能質(zhì)量及工作效率。在所有工作條件下實現(xiàn)軟開關(guān)可很好地解決上述問題。相比傳統(tǒng)諧振變換器,變頻LLC型諧振變換器由于特殊工作性能可在寬電壓輸入范圍內(nèi)方便地穩(wěn)定電壓或電流。其結(jié)構(gòu)簡單,控制方便,寄生元件亦可參與諧振過程。初級開關(guān)管可方便地實現(xiàn)ZVS,關(guān)斷電流小;次級整流二極管可實現(xiàn)ZCS,消除反向恢復(fù)時二極管損耗和振蕩。在控制方法上采用PFM,開關(guān)管占空比保持在0.5,解決了寬電壓輸入情況下占空比變化大的問題,使得開關(guān)頻率增加,從而進一步減小了變換器的體積和重量。
此處分析了變頻半橋型LLC諧振變換器的工作原理和軟開關(guān)特性,分析了參數(shù)設(shè)計對變換器性能的影響,以此為基礎(chǔ)完成了電路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,并通過實驗驗證了變換器設(shè)計的正確性。測試了電路的效率并完成了相應(yīng)的損耗分析。
2 LLC諧振變換器特點和參數(shù)分析
2.1 LLC諧振變換器拓撲
圖1示出半橋型LLC諧振變換器結(jié)構(gòu)。LLC諧振變換器存在兩個諧振頻率:Lr和Cr的諧振頻率
,Lr,Cr和Lm共同發(fā)生諧振頻率
。
通過仿真可知,當(dāng)諧振變換器工作頻率處于fmfr時,次級整流二極管均能實現(xiàn)ZCS。以上兩種工況無法使變換器達到最優(yōu)性能,因此不再進一步展開研究。
圖2示出半橋型LLC諧振變換器等效電路。當(dāng)次級采用半波整流電路時,折算到初級的等效電阻Re=8n2RL/π2,n為變壓器匝比。由文獻推導(dǎo)可知uab和ucd交流基波電壓eab和ecd的增益為:
為便于對電路性能分析,將式(1)中一些參數(shù)進行定義。Lm/Lr定義為諧振電感系數(shù)K,反映了電路中電感參數(shù)的性質(zhì)。
定義為品質(zhì)因數(shù)Q,反映了串聯(lián)諧振元件和負載的相互特性。由以上分析可得直流增益為:
由式(2)可知,Gdc與K,n,Q及開關(guān)頻率有著密切關(guān)系。正確地選擇參數(shù)方能保證變換器滿足一定的性能指標(biāo)。
2.2 參數(shù)分析
在n=6,fr=200 kHz,Q=0.4時,當(dāng)K較小時,fm較大,最大Gdc較高;當(dāng)K增大時,fm隨之減小,最大Gdc降低。fr不受K變化的影響。若K值選擇過大,可能導(dǎo)致不能達到最大Gdc的要求;若K值選擇過小,則Lm較小,通過Lm的電流峰值會相應(yīng)增大以維持電壓不變,增大的電流會使電感銅損增大從而降低變換器效率。選擇K時需折中考慮。
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在n=6,fr=200 kHz,K=3時,fr不隨Q的變化而變化,而fm則受到Q的影響。Q越小,fm越小,變頻器工作頻率范圍將會變寬,不利于磁性元件的工作;Q越大,fm越大,而Gdc變小,在輸入電壓較低時無法達到需要的輸出值。
在K=3,fr=200 kHz,Q=0.4時,n不影響fm的大小變化,不影響Gdc變化范圍。n越大,Gdc越大。需合理設(shè)計n,使其滿足變換器的直流增益要求。
2.3 參數(shù)設(shè)計
此處設(shè)計的變換器參數(shù)為:額定功率100 W,最大效率大于90%。最大輸入電壓Uimax=400 V,最小輸入電壓Uimin=250 V,輸出電壓Uo=36 V。相對應(yīng)的最大和最小Gdc分別為0.144和0.086。n=Uimax/(2Uo)=5.833≈6。合理設(shè)計Q,K,取fr=200kHz,使其在n=6的情況下滿足Gdc要求。
當(dāng)Q=0.4,K=3時,Gdc與fs關(guān)系如圖3所示。當(dāng)變換器工作頻率為fm時,Gdc為最大值0.149;當(dāng)變換器工作頻率為fr時,Gdc為最小值0.84。因此,當(dāng)輸入電壓從250 V變化到420 V時,fs保持在fm和fr之間,可實現(xiàn)初級開關(guān)管的ZVS及次級二極管的ZCS,從而滿足設(shè)計要求??汕蟮酶髦C振器件參數(shù)值為Re=8n2RL/π2,Lr=QRe/(2πfr)=120.4μH,Cr=Lr/(QRe)2=5 261 pF,Lm=KLr=361.1μH。
3 實驗結(jié)果
根據(jù)以上參數(shù),制作一臺100 W半橋LLC諧振變換器樣機,以L6599為控制芯片,分別給出不同負載時變換器主要元件工作波形及效率曲線。
圖4a,b分別示出輸入250 V,400 V的主要工作波形。其中iLr為諧振槽支路電流,uab為初級橋輸入電壓。當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時,工作頻率fs發(fā)生相應(yīng)變化,Uo穩(wěn)定于36 V。iLr波形滯后于uab波形??梢?,開關(guān)管可實現(xiàn)零電壓開通。
圖5a,b分別示出輸入250 V,400 V的次級兩個整流二極管電流波形。當(dāng)Uin增大時,fs升高,iVD1和iVD2的最大值變小,在一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間增加。當(dāng)iVD1減小為零時,iVD2尚未導(dǎo)通,iVD1實現(xiàn)零電流關(guān)斷;當(dāng)iVD2減小為零時,iVD1尚未導(dǎo)通,iVD2實現(xiàn)零電流關(guān)斷。變換器實現(xiàn)零電流關(guān)斷。
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該變換器中,fs的變化影響著Gdc的變化。通過圖3可得到不同fs對應(yīng)的Gdc,得到在不同輸入電壓條件下的工作頻率。圖6示出實驗得到相應(yīng)的fs變化曲線,可見,實驗值與理論值基本吻合,變換器工作于設(shè)定工作頻率范圍內(nèi)。
4 損耗分析
對于小功率變換器,損耗對其效率的影響較大。通過合理的參數(shù)設(shè)計,LLC諧振變換器可方便地實現(xiàn)主開關(guān)管的ZVS及次級二極管的ZC S,極大地減小變換器損耗。在其他損耗方面主要源于變壓器和諧振電感的銅損和磁損,開關(guān)管的關(guān)斷損耗和驅(qū)動損耗,整流二極管的導(dǎo)通損耗。通過分析與計算可得,滿載輸出時的總損耗為10.9 W,變換器滿載時工作效率約為90.2%。
圖7a為滿載損耗比例,可得在輸出電流較小的小功率變換器中,變壓器損耗所占比例最大。其中主要為銅損,可通過改進繞制工藝盡可能減小變壓器銅損。其次為整流二極管導(dǎo)通損耗,可通過同步整流來減小帶來的損耗。圖7b為輸入電壓350 V的效率η曲線。該變換器最高效率為93.95%,達到預(yù)期目標(biāo)。在250~400 V輸入電壓工作范圍內(nèi),滿載時η>90%,與理論計算一致。
5 結(jié)論
此處設(shè)計的半橋LLC諧振電路適用于寬電壓輸入環(huán)境,通過脈沖頻率調(diào)制,使得變換器工作頻率不再受到限制,有效地減小了變換器體積。對于小功率電源,元器件損耗會嚴重影響到整機效率。通過合理設(shè)計,該變換器可很好地實現(xiàn)軟開關(guān),從而提升電路工作效率。
此處在分析變換器工作原理基礎(chǔ)上,分析了各關(guān)鍵參數(shù)對變換器性能的影響,并設(shè)計出一臺100 W實驗樣機進行研究。由實驗結(jié)果可見,該變換器可很好地實現(xiàn)軟開關(guān),樣機工作效率達到93.95%,達到了預(yù)期設(shè)計目的。