LLC型串并联谐振变换器的设计与实现

1引言

重量轻、体积小、高效率的“绿色电源”已成为电源产品的发展方向。“软开关”技术是通过在开关电路中引入缓冲电感和电容，利用其谐振使得开关器件中电流或两端电压按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时使器件关断，当电压下降到零时使器件开通，即零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）[1]。对于中小功率直流变换器而言，采用高频软开关技术控制的半桥拓扑易于实现高频化，减小变换器体积，进一步提高系统效率。

LLC型串并联谐振变换器可实现在全电压范围及全负载条件下主功率管的ZVS和整流二极管的ZCS，效率较高，且有利于高频化[2,3]。

2电路工作原理

半桥LLC串并联谐振变换器电路结构如图1所示，VT1、VT2组成上下一对桥臂，C1、C2和VD1、VD2分别为MOS管VT1、VT2的结电容和寄生反并二极管，谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器激磁电感Lm构成谐振网络，Cr也起了隔直电

容的作用。变压器副边为桥式整流，Co为输出滤波电容。

LLC谐振变换器有两个本征谐振频率，定义由Lr和Cr发生谐振的谐振频率为：

由Lr、Lm和Cr发生谐振时的谐振频率为：

变换器工作在fmfsfr频率范围内，基于SABER仿真如图2所示，VCr是Cr两端电压，Vds1为MOS管VT1漏-源电压，io为输出电流，ir和im分别为谐振电流和变压器原边激磁电流。

电路工作可分为两个阶段：

(1)传输能量阶段：Lr和Cr流过正弦电流且ir>im，能量通过变压器传递至副边；

(2)续流阶段：ir=im，原边停止向副边传递能量，Lr、Lm和Cr发生谐振，整个谐振回路感抗较大，变压器原边电流以相对缓慢的速率下降。

通过合理设计可以使MOS管实现ZVS，副边整流二极管在ir=im时电流降至零，实现ZCS。变换器工作在fmfsfr频率范围内时较为有利。

3主电路参数设计

半桥LLC谐振电路是一非线性电路，采用基波法将其转换为一线性电路（如图3），推导得变换器直流增益Gdc为：

其中x为开关频率fs相对于谐振频率fr的归一化频率；n为变压器原副边匝比；系数k是Lr把Lm归一化的量，定义k=Lm/Lr；串联谐振电路品质因数为Q。

变换器能量传递主要由谐振网络从输入源侧传送到负载端，谐振网络是整个变换器设计的重点。而LLC谐振变换器各参数间关系及影响较两元件谐振变换器复杂，需在初步确定各参数值的基础上再进行整体优化。

先根据电压增益和工作频率选取n，n需满足轻载下的最低直流增益要求。再根据式(3)在Vin最大且空载（Q=0）情况下须达到要求的Vo来选取k值。当n、k固定时，Gdc、x和Q的关系如图4所示。每条增益曲线随着频率的增大都是先

增大后减小，在某个频率点处都有一拐点，且随Q的增大最大直流增益减小，拐点频率则增大。

图5中im的仿真波形分别是在重载、额定载荷、轻载三种不同负载下得到的，从左到右负载变轻即Q减小，最右边电流波形（图中的实线）是近乎于空载的情况。Vin和x一定时，由于Q减小Lm两端电压增大（但ΔuL较小），im有所增大且

变化较小，电流滞后于电压的相位角也增大，在负载很轻时（图中用实线表示），电流与电压之间的夹角将近90°。

对于各Q值相应的Gdc曲线上的拐点，在此引入归一化输入阻抗：

式中Zn为归一化输入阻抗，Zin为谐振网络的输入阻抗，Zr为特征阻抗Zr=2πfrLr。当输入阻抗呈阻性时得：

谐振网络工作在感性区时，电流滞后于电压，当一桥臂驱动信号由高电平变为低电平时，电流对上、下桥臂MOS管结电容充放电，使得另一桥臂零电压开通。x>xz时工作于感性区域，由式(3)和(5)得：

Qmax是在输入阻抗为阻性时的值，工程上一般取5%的余量，即QZVS1=95%·Qmax。

变换器从空载至满载均要实现零电压开关，则空载且Vin最大时仍需满足零电压开关的条件：

其中Ceq为MOS管的寄生结电容，td为VT1、VT2均没有触发信号的死区时间。

在fmfsfr范围内选取Q≤Qmin{QZVS1,QZVS2}，确保随着Vin升高，为维持Vo而提高开关频率的变换器仍工作在感性区域。

图6表示n、Q一定，不同k值时Gdc曲线图，可见k值越小时相同频率变化范围内Gdc变化越明显，有利于宽Vin范围的调节；而k越小在一定程度上Lm越小，则由电流增加带来的开关管及变压器损耗的增加会影响变换效率。k值越大时最大Gdc越小，Vin较低时使得Vo无法满足设计要求，且k越大fm和fr间频率范围越大，不利于磁性元件的设计，需折中优化选取k值。

根据上述步骤选定主要谐振参数后，结合各参数间的相互关系，可进行合理优化选取。

4实验结果与分析

本文选用L6599作为控制芯片，进行实验验证。L6599是意法半导体(ST)于2006年推出的专为串联谐振半桥拓扑设计的双终端控制器芯片[5]，可直