宽电压输入半桥型LLC谐振变换器设计与实验
摘要：半桥型LLC谐振变换器由于拓扑简单、工作效率高而得到广泛研究。此处针对宽电压输入的工作情况，采用脉冲频率调制（PFM），避免了传统PWM控制占空比变化范围大的问题。为了提升变换器效率，对各关键谐振参数进行设计，分析了其对电源输出特性的影响，使得初级开关管实现零电压开通（ZVS），次级二极管实现零电流关断（ZCS）。结合理论数学推导和增益曲线分析，设计了一台100 W的变频半桥型LLC谐振变换器样机，并完成了相关实验，验证了参数设计的正确性，样机的最大效率达到93.95％。同时对变换器进行了损耗分析，以便进一步优化设计。
1 引言
半桥型DC/DC变换器广泛用于中小功率场合。通过增大开关频率，可有效减小电源体积和重量，但会增加开关管损耗，影响电源电能质量及工作效率。在所有工作条件下实现软开关可很好地解决上述问题。相比传统谐振变换器，变频LLC型谐振变换器由于特殊工作性能可在宽电压输入范围内方便地稳定电压或电流。其结构简单，控制方便，寄生元件亦可参与谐振过程。初级开关管可方便地实现ZVS，关断电流小；次级整流二极管可实现ZCS，消除反向恢复时二极管损耗和振荡。在控制方法上采用PFM，开关管占空比保持在0.5，解决了宽电压输入情况下占空比变化大的问题，使得开关频率增加，从而进一步减小了变换器的体积和重量。
此处分析了变频半桥型LLC谐振变换器的工作原理和软开关特性，分析了参数设计对变换器性能的影响，以此为基础完成了电路参数的优化设计，并通过实验验证了变换器设计的正确性。测试了电路的效率并完成了相应的损耗分析。
2 LLC谐振变换器特点和参数分析
2.1 LLC谐振变换器拓扑
图1示出半桥型LLC谐振变换器结构。LLC谐振变换器存在两个谐振频率：Lr和Cr的谐振频率，Lr，Cr和Lm共同发生谐振频率。
通过仿真可知，当谐振变换器工作频率处于fmfr时，次级整流二极管均能实现ZCS.以上两种工况无法使变换器达到最优性能，因此不再进一步展开研究。
图2示出半桥型LLC谐振变换器等效电路。当次级采用半波整流电路时，折算到初级的等效电阻Re=8n2RL/π2，n为变压器匝比。由文献推导可知uab和ucd交流基波电压eab和ecd的增益为：
为便于对电路性能分析，将式（1）中一些参数进行定义。Lm/Lr定义为谐振电感系数K，反映了电路中电感参数的性质。定义为品质因数Q，反映了串联谐振元件和负载的相互特性。由以上分析可得直流增益为：
由式（2）可知，Gdc与K，n，Q及开关频率有着密切关系。正确地选择参数方能保证变换器满足一定的性能指标。
2.2 参数分析
在n=6，fr=200 kHz，Q=0.4时，当K较小时，fm较大，最大Gdc较高；当K增大时，fm随之减小，最大Gdc降低。fr不受K变化的影响。若K值选择过大，可能导致不能达到最大Gdc的要求；若K值选择过小，则Lm较小，通过Lm的电流峰值会相应增大以维持电压不变，增大的电流会使电感铜损增大从而降低变换器效率。选择K时需折中考虑。
在n=6，fr=200 kHz，K=3时，fr不随Q的变化而变化，而fm则受到Q的影响。Q越小，fm越小，变频器工作频率范围将会变宽，不利于磁性元件的工作；Q越大，fm越大，而Gdc变小，在输入电压较低时无法达到需要的输出值。
在K=3，fr=200 kHz，Q=0.4时，n不影响fm的大小变化，不影响Gdc变化范围。n越大，Gdc越大。需合理设计n，使其满足变换器的直流增益要求。
2.3 参数设计
此处设计的变换器参数为：额定功率100 W，最大效率大于90％。最大输入电压Uimax=400 V，最小输入电压Uimin=250 V，输出电压Uo=36 V.相对应的最大和最小Gdc分别为0.144和0.086.n=Uimax/（2Uo）=5.833≈6.合理设计Q，K，取fr=200kHz，使其在n=6的情况下满足Gdc要求。
当Q=0.4，K=3时，Gdc与fs关系如图3所示。当变换器工作频率为fm时，Gdc为最大值0.149；当变换器工作频率为fr时，Gdc为最小值0.84.因此，当输入电压从250 V变化到420 V时，fs保持在fm和fr之间，可实现初级开关管的ZVS及次级二极管的ZCS，从而满足设计要求。可求得各谐振器件参数值为Re=8n2RL/π2，Lr=QRe/（2πfr）=120.4μH，Cr=Lr/（QRe）2=5 261 pF，Lm=KLr=361.1μH.
3 实验结果
根据以上参数，制作一台100 W半桥LLC谐振变换器样机，以L6599为控制芯片，分别给出不同负载时变换器主要元件工作波形及效率曲线。
图4a，b分别示出输入250 V，400 V的主要工作波形。其中iLr为谐振槽支路电流，uab为初级桥输入电压。当输入电压发生变化时，工作频率fs发生相应变化，