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半桥LLC谐振变换器的工程设计方法

来源: 编者:胡凯 发布时间:2014-01-17

摘要:半桥LLC谐振变换器作为目前最为高效的AC/DC变换器拓扑,具有效率高、EMI小等显著优点,更适合开关电源高频化、高效率和小型化的发展趋势。本文针对半桥LLC谐振变换器的设计方法进行了研究,并通过工程实例对该设计方法的正确性进行了验证。
关键词:谐振网络 , 零电压 , 零电流, 增益曲线
Abstract:
Keyword:

1 前言

谐振变换器以效率高、功率密度大、EMI小、输入电压范围广等优点得到越来越广泛的应用。新型LLC谐振变换器能够在全负载范围内实现功率开关管的零电流关断(ZVS)和整流二极管的零电流关断(ZCS),可以使器件在电路中承受很低的电压、电流应力。本文对LLC谐振变换器的工作原理和特点做了分析,对拓扑的设计方法进行研究,最后用样机试验进一步验证了研究结果的正确性。

2 LLC谐振变换器的工作原理

2.1 LLC谐振变换器简介

LLC谐振变换器作为一种改进型的串联谐振变换器,能够在较宽的输入电压和负载波动范围内调节输出,而开关频率波动却较小。LLC变换器拓扑如图1所示,两个功率开关管S1和S2与其寄生电容组成半桥拓扑,驱动信号是两组间隔固定死区时间的互补信号,电感Ls、Lm,与电容Cs组成LLC谐振网络。在变压器副边,由D1和D2组成具有中间抽头的全波整流电路。

 

图1  半桥型LLC谐振变换器拓扑

2.2 LLC谐振变换器工作特性

2.2.1 软开关特性

大多数硬开关拓扑在开关管通断时,功率管D-S间的电压与电流会交叠产生较大的开关损耗。零电压开关ZVS可使功率管的电压在开通前降到零,在关断时保持为零(图2a所示)。零电流开关ZCS使开关管的电流在开通时保持在零,在关断前使电流降到零(图2b所示)。LLC谐振变换器的功率管在电流为负时导通。在导通前,电流从功率管的体二极管流过,开关管D-S之间电压被箝位在0V,此时功率管开通,实现零电压开通;在关断前,D-S间的电容电压为0v且不能突变,功率管近似于零电压关断。

 

           

(a)  零电压开通ZVS          (b)  零电流关断ZCS   

图2  零电流关断与零电压开通 

2.2.2直流增益特性

图1半桥型LLC谐振变换器,忽略开关管寄生电容,则在拓扑左侧我们可得到一个方波电压,而变压器原边(右侧)同样也可近似为方波电压。通过基波近似原理,可以求得交流等效负载电阻为: 

                     (1)

此处V0与输出电压同值,VRI为副边负载,考虑到变压器匝比(n=Np/Ns),则初级等效负载电阻可以描述为:

                           (2)

同理,可以求得反射到初级的输出电压的基波分量和驱动电压(中点电压)的基波分量                          (3)

                      (4)

换算成方波有效值可以得到电压增益:

               (5)

......



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