基于L6599的串并聯(lián)諧振變換器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)(一)

0 引言

重量輕、體積小、高效率的"綠色電源"已成為電源產(chǎn)品的發(fā)展方向。"軟開關(guān)"技術(shù)便是通過在開關(guān)電路中引入緩沖電感和電容，利用其諧振使得開關(guān)器件中電流或兩端電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過零時使器件關(guān)斷，當(dāng)電壓下降到零時使器件開通，即零電流開關(guān)(ZCS)和零電壓開關(guān)(ZVS)[1].在開關(guān)過渡過程中減小開關(guān)的應(yīng)力而使儲存的電磁能量增大，有利于提高變換器的開關(guān)頻率和效率。

對中小功率直流變換器而言，采用高頻軟開關(guān)技術(shù)控制的半橋拓?fù)湟子趯?shí)現(xiàn)高頻化、減小變換器體積、進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。其中LLC型串并聯(lián)諧振變換器可實(shí)現(xiàn)在全電壓范圍及全負(fù)載條件下主功率管的ZVS和整流二極管的ZCS,效率較高，利于高頻化，廣泛用于中功率場合。

1 電路拓?fù)浜凸ぷ髟?/p>

半橋LLC串并聯(lián)諧振變換器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，VT1、VT2組成上下一對橋臂，C 1、C 2和VD1、VD2分別為MOS管VT1、VT2的結(jié)電容和寄生反并二極管，諧振電感L r、諧振電容C r和變壓器激磁電感L m構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)，C r也起了隔直電容的作用。變壓器副邊為橋式整流，C o為輸出濾波電容。

圖1 半橋LLC型串并聯(lián)諧振變換器拓?fù)?/p>

LLC諧振變換器有兩個本征諧振頻率，定義由L r和C r發(fā)生諧振的諧振頻率為：

由L r、L m和C r發(fā)生諧振時的諧振頻率為：

當(dāng)變換器工作在f m< f s< f r頻率范圍內(nèi)，用SABER軟件進(jìn)行仿真，主要波形如圖2所示，UCr是C r兩端電壓，U ds1為MOS管VT1漏-源電壓，io為輸出電流，ir和im分別為諧振電流和變壓器原邊激磁電流。

圖2 額定負(fù)載下fm

工作可分為兩個階段：

(1) 傳輸能量階段：L r和C r上流過正弦電流且ir>im,能量通過變壓器傳遞至副邊;

(2) 續(xù)流階段：ir=im原邊停止向副邊傳遞能量，L r、L m和C r發(fā)生諧振，整個諧振回路感抗較大，變壓器原邊電流以相對緩慢的速率下降。

通過合理設(shè)計可以使變壓器原邊MOS管零電壓開通，副邊整流二極管在ir=im時電流降至零，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，降低開關(guān)損耗。如上所述，變換器工作在fm

2 參數(shù)設(shè)計

1)主電路參數(shù)設(shè)計

半橋LLC諧振電路是一非線性電路，在此先將其轉(zhuǎn)換為一線性電路(如圖3)，采用基波法分析。推導(dǎo)得變換器直流增益G dc為：

式中x為開關(guān)頻率fs相對于諧振頻率fr的歸一化頻率;n為變壓器原副邊匝比;系數(shù)k是L r把L m歸一化的量，定義k=L m/L r;串聯(lián)諧振電路品質(zhì)因數(shù)為Q.

圖3 半橋LLC諧振的穩(wěn)態(tài)等效電路

變換器能量傳遞主要由諧振網(wǎng)絡(luò)從輸入源側(cè)傳送到負(fù)載端，諧振網(wǎng)絡(luò)是整個變換器設(shè)計的重點(diǎn)。而LLC諧振變換器各參數(shù)間關(guān)系及影響較兩元件諧振變換器要復(fù)雜，需在初步確定各參數(shù)值的基礎(chǔ)上再進(jìn)行整體優(yōu)化。

先根據(jù)電壓增益和工作頻率選取n,n需滿足輕載下的最低直流增益要求。再根據(jù)式(3)在U in最大且空載(Q=0)情況下須達(dá)到要求的U o來選取k值。當(dāng)n、k固定時，G dc、x和Q的關(guān)系如圖4所示。每條增益曲線隨著頻率的增大都是先增大后減小，在某個頻率點(diǎn)處都有一拐點(diǎn)，且隨Q的增大最大直流增益減小，拐點(diǎn)頻率則增大。對于各Q值相應(yīng)的G dc曲線上的拐點(diǎn)，我們在此引入歸一化輸入阻抗：

其中Z n為歸一化輸入阻抗，Z in為諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗，Z r為特征阻抗，Z r=2πfrL r.[!--empirenews.page--]

圖4 k、n一定時Gdc、x和Q關(guān)系圖

由圖5可見當(dāng)x1時Z in則呈感性，x0

圖5 諧振網(wǎng)絡(luò)歸一化輸入阻抗特性

諧振網(wǎng)絡(luò)工作在感性區(qū)內(nèi)時，輸入電流滯后于輸入電壓，當(dāng)一橋臂驅(qū)動信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r電流對上、下橋臂MOS管結(jié)電容充放電以使得另一橋臂零電壓開通。當(dāng)x>xz時工作于感性區(qū)域，由式(3)和(5)得：

Qmax是在輸入阻抗為阻性時的值，工程上一般取5%左右的余量，即QZVS1=95%·Qmax。

變換器從空載至滿載均要實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，則空載且U in最大時仍需滿足零電壓開關(guān)的條件：

其中C eq為MOS管的寄生結(jié)電容，t d為VT1、VT2均沒有觸發(fā)信號的死區(qū)時間。

在fm

圖6表示n、Q一定不同k值時G dc曲線圖，可見k值越小時相同頻率變化范圍內(nèi)G dc變化越明顯，有利于寬U in范圍的調(diào)節(jié);而k越小在一定程度上L m越小，則由電流增加帶來的開關(guān)管及變壓器損耗的增加會影響變換效率。k值越大時最大G dc越小，U in較低時使得U o無法滿足設(shè)計要求，且k越大fm和fr間頻率范圍越大，不利于磁性元件的設(shè)計，需折中優(yōu)化選取k值。

圖6 不同k值下變換器直流增益曲線圖

在確定了諧振網(wǎng)絡(luò)中各元件的值后k與Q的乘積便固定了，見式(8)，減小k值需相應(yīng)地調(diào)大Q值，反之亦然。

根據(jù)上述步驟選定主要諧振參數(shù)后，結(jié)合各參數(shù)間的相互關(guān)系，可進(jìn)行合理優(yōu)化選取。