現(xiàn)代LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)

文/何杜

就LLC諧振變換器具有的高效率、便于磁集成、低EMI等特點(diǎn)進(jìn)行分析，將其應(yīng)用到現(xiàn)代電力電子設(shè)備中，且兩相或者多相LLC-SRC交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，能夠在一定程度上提高電源功率等級，但是還需要解決并聯(lián)造成的負(fù)載不均流問題。通過設(shè)計(jì)爭取應(yīng)用簡單并聯(lián)結(jié)構(gòu)，消除以往應(yīng)用中存在的問題，使其可以更高程度上滿足電源產(chǎn)品應(yīng)用需求。

1　LLC諧振變換器特點(diǎn)

就現(xiàn)代電力電子設(shè)備生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀來看，可選擇的諧振變換器種類較多，包括串聯(lián)諧振變換器、并聯(lián)諧振變換器以及串并聯(lián)諧振變換器，而相比上述三種以外，LLC諧振變換器具有更多特殊性能，在應(yīng)用上也具有更大優(yōu)勢。LLC諧振變壓器融合了傳統(tǒng)串聯(lián)與并聯(lián)諧振變換器的技術(shù)優(yōu)勢，在具有串聯(lián)諧振變換器諧振電容隔直作用的同時(shí)，還可以促使諧振槽路電流隨負(fù)載變化，且具有并聯(lián)諧振變換器對濾波電容電流脈動(dòng)要求低、空載條件下運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到電力電子設(shè)備中性能更為優(yōu)良。在LLC諧振變換器內(nèi)，變壓器勵(lì)磁電感Lm為關(guān)鍵元件，在特定條件下，勵(lì)磁電感會(huì)參與到變換器諧振過程中去，相比來講其工作原理更為復(fù)雜。但是在實(shí)際應(yīng)用中技術(shù)優(yōu)勢也比較明顯，例如全負(fù)載范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)ZVS，且MOSFET關(guān)斷電流更小，產(chǎn)生的關(guān)斷損耗較??；次級取消濾波電感，大幅度上降低了整流二極管電壓應(yīng)力；可用于較大輸入電壓以及負(fù)載變化范圍，能夠有效調(diào)節(jié)電壓；更容易集成磁性器件，諧振電感與變壓器集成到一個(gè)磁芯上所面對的難度更小。并且可以實(shí)現(xiàn)次級高頻整流二極管的ZCS，將二極管反向恢復(fù)過程進(jìn)行了消除，不僅可以提高運(yùn)行效率，同時(shí)還能夠降低電源EMI干擾。正是因?yàn)長LC諧振變換器具有的各技術(shù)優(yōu)勢，使其在近年來得到了廣泛應(yīng)用，逐漸成為開關(guān)電源研究的重點(diǎn)對象。

2　LLC諧振變換器設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1　兩相LLC諧振變換器并聯(lián)負(fù)載均流特性

對于傳統(tǒng)的兩相LLC諧振變換器直接并聯(lián)方式來講，兩個(gè)并聯(lián)模塊輸入電壓以及輸出負(fù)載處于共用狀態(tài)，其余部分則保持獨(dú)立運(yùn)行。對負(fù)載均流特性進(jìn)行分析，首先需要對LLC諧振變換器增益特性進(jìn)行簡單分析，可選擇通過基波分析法對LLC諧振變換器等效模型進(jìn)行分析，得到電壓增益M表達(dá)式：

其中，fn=fa/fr，

根據(jù)公式可以得到輸出阻抗表達(dá)式：

輸出電阻Rout表示每路LLC所分配的功率，其為諧振參數(shù)Lr、Lm、Cr以及增益M的函數(shù)。兩相LLC寫著變換器直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)，基于兩個(gè)模塊輸入電壓與輸出電壓相同，可判斷其增益相同。但是在實(shí)際應(yīng)用中，并不能完全控制兩組諧振槽元件參數(shù)一致，由上述公式可知，Zo與λ無法完全相等，便可確定每路LLC功率分配存在一定差異，尤其是惡劣因素影響下，很有可能會(huì)造成輸出功率由其中一路完全承受，最終造成電源被損壞。

對負(fù)載均流特性以及操作頻率間關(guān)系進(jìn)行分析，選擇的兩路諧振槽應(yīng)控制保持一定差異，確定第一路LLC變換器諧振槽為理論計(jì)算值，第二路則留出一定裕量，可得到關(guān)系式：

按照公式進(jìn)行計(jì)算，可確定在頻率不斷變化的情況下，M≠1時(shí)隨著頻率增加，輸出負(fù)載差異先減小后增大；M=1時(shí)，隨著頻率增大輸出負(fù)載會(huì)減小。面對傳統(tǒng)兩路并聯(lián)結(jié)構(gòu)來講，需要加入額外電流控制環(huán)，來避免兩路負(fù)載的不平衡，但是額外電流控制環(huán)的應(yīng)用會(huì)增加控制回路復(fù)雜性。如果采取優(yōu)化諧振槽參數(shù)與輸出阻抗的方法來減小紋波，會(huì)影響到均流效果。

2.2　兩相LLC諧振變換器交錯(cuò)并聯(lián)

基于傳統(tǒng)兩相LLC諧振變換器并聯(lián)方式存在的不足，提出全新的交錯(cuò)并聯(lián)方法，將輸入端改用為兩個(gè)電容串聯(lián)分壓處理，然后將其分別輸入到兩個(gè)模塊中，以此來保證兩路LLC諧振變換器輸出電壓相等，而輸入電壓不同，在諧振參數(shù)不同情況下能夠達(dá)到兩路負(fù)載自動(dòng)均流的效果。輸入分壓電容的電壓瞬時(shí)值表達(dá)式為：

其中：

經(jīng)過此種設(shè)計(jì)后，兩路諧振槽參數(shù)并不相同，使得諧振阻抗Z1(s)與Z2(s)不同，進(jìn)而兩路增益也存在較大差異。假如其中一路被分配較大功率，則其前端分壓電容抽取的功率就比較大，對應(yīng)的分壓電容電壓便會(huì)降低，增益增大，進(jìn)而間Rout增大，促使這一路分配的功率減小。最終電容C1與電容C2電壓會(huì)隨著上下路LLC所抽取功率大小來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)兩路負(fù)載的平衡。

3　結(jié)束語

LLC諧振變換器在電力電子設(shè)備中應(yīng)用，對比傳統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)諧振變換器具有更大優(yōu)勢，但是就實(shí)際情況來看，在設(shè)計(jì)上還存在一定問題，還需要對其進(jìn)行優(yōu)化。本文從理論上對傳統(tǒng)兩路LLC諧振變換器直接并聯(lián)設(shè)計(jì)方案中，功率分配不均衡問題進(jìn)行了簡單分析，提出一種全新的并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，爭取達(dá)到自動(dòng)均流效果，提高LLC變換器在實(shí)際應(yīng)用中的綜合效果。