LLC型串并联谐振变换器参数分析与应用

随着现代电力电子技术的发展，开关电源向着高频化、集成化、模块化方向发展。提高开关频率能减小体积，提高功率密度及可靠性，平滑变化的波形和较小的电压／电流变化率也有利于改善系统的电磁兼容性，降低开关噪声。功率谐振变换器以谐振电路为基本的变换单元，利用谐振时电流或电压周期性的过零，从而使开关器件在零电压或零电流条件下开通或关断，以实现软开关，达到降低开关损耗的目的，进一步提高频率，因此得到了重视和研究。

　　l 谐振电路

　　谐振网络通常由多个无源电感或电容组成，由于元件个数和连接方式上的差异，常见实用的谐振变换器拓扑结构大致分为两类：一类是负载谐振型，另一类是开关谐振型。负载谐振型变换器是一种较早提出的结构，注重电源电压转换比特性的改善，按照谐振元件的谐振方式可分为串联谐振变换器、并联谐振变换器以及两者结合产生的串并联谐振变换器。

　　1．1 串联谐振

　　由于是串联分压方式，其直流增益总是小于1，类似BUCK变换器；轻载时为稳住输出电压，必须提高开关频率，在轻载或空载的情况下，输出电压不可调，输入电压升高使系统的工作频率将越来越高于谐振频率，而谐振频率增加，谐振腔的阻抗也随之增加，这就是说越来越多的能量在谐振腔内循环而不传递到副边输出；但在负载串联谐振中，流过功率器件的电流随着负载变轻而减小，使通态损耗减小。

　　1．2 并联谐振

　　输出端可以开路但不能短路，会损坏谐振电容，并且过大的原边回路电流对开关器件及电源都会产生冲击；轻载时，不需通过大幅改变频率来稳住输出电压，与串联谐振相比变换器工作范围更大，可工作至空载；当轻载时输入电流变化不大，开关管的通态损耗相对固定，在轻载时的效率比较低，较为适合工作于额定功率处负载相对恒定的场合。
　1．3 串并联谐振

　　输出电压可高于或低于电源电压，且负载变化范围宽，是目前研究领域中较主流的结构。

　　2 谐振参数分析

　　2．1 电路拓扑

　　图1为LLC型串并联半桥谐振变换器电路，主开关管S1和S2是固定0．5占空比互补导通，Lr、Cr与变压器的并联电感Lm构成LLC谐振网络，整流二极管直接连接到输出电容上。

　　LLC有两个谐振谐振频率，分别为Lm与Lr、Cr产生的串并联谐振频率以及Lr和Cr产生的串联谐振频率。

　　2．2 参数影响

　　LLC谐振变换器是在串联／并联谐振变换器的基础上改进而来，由于较前两者多了一个谐振元件其设计运用也变得复杂。根据交流分析法得到LLC谐振变换器的输入输出特性为

　2．2．1 k的影响

　　对于一个输入输出和功率一定的变换器而言，匝比n固定，如图2(a)所示，在某一Q下，不同的k值所带来的影响：随着k值的增大，最大增益在减小，在输入电压较低时也许达不到所要求的输出电压，且随着k值的增大，为保证所需的输出电压使得变换器的工作频率范围变宽，这不利于磁性元件的工作；但k越小则 Lm越小，Lm两端电压值一定，由于感值的减小其电流峰值增大，而原边开关管关断时流过的即为激磁电感的峰值电流，存在较大的关断损耗，但若此关断电流过小则会影响到零电压开通，故k值的选择应择中考虑开关频率的范围、零电压开通及较小的关断电流。

　　2．2．2 Q的影响

　　在确定了n和k值的情况下，Q值的大小直接关系到直流增益是否足够大。对于特定的输入电压范围Q值越小，所对应的开关频率范围越小(对于 f0ffr这种工作模态而言)，这样有助于磁性元件的工作；但对于确定了的Lm和Lr，Q越小Cr越大，谐振腔的阻抗变小，使得变换器的短路特性变差，在负载较重的时候尽量选择较小的Cr以达到要求的输出电压。

　　3 电路分析

　　当开关频率ff0时可知谐振网络呈容性状态，不利于开关管的ZVS开关，就不展开讨论了，下面先以开关频率范围f0ffr来分析LLC谐振电路的工作过程。

　　在f0ffr频率范围内变换器会因负载不同，其工作过程也有所不同，当电路工作在f0ffr范围内时Lr与Cr等效成一容Ceq，整个谐振腔等效为Lm和负载并联再与Ceq，谐振腔阻抗到底呈感性还是容性就要根据频率和负载的轻重(Q值大小)而定。运用Saber软件对 LLC半桥谐振变换器在进行仿真，并进行模态分析。变换器Vin=270V，Vo=360V，额定功率500W，其中谐振网络参数如下：Lr=27．4μ，Lm=137μ，Cr=92．4n。

　　3．1 不同负载下的仿真与分析

　　3．1．1 满载

　　满载情况下的模态分析及仿真波形分别如图3及图4所示。

Model(t0～t1)：t0时刻S2关断，谐振电流对C2、C1(分别为S2、S1的寄生电容)充放电，S1端电压开始下降，当降为零时S1的体二极管导通，为S1的ZVS创造条件。变压器原边电压为上正下负，D1和D4导通，Lm两端电压被箝位为nVo，iLm线性上升，谐振