變壓器寄生參數(shù)對(duì)LLC 諧振變換器的影響

張 平，丁 潔，孫 莉

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 200031；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著電力電子變換技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)高開(kāi)關(guān)頻率、高效率、高功率密度的電力電子變換器需求越來(lái)越廣。其中，LLC諧振變換器通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)初級(jí)側(cè)MOSFET的零電壓開(kāi)通和次級(jí)側(cè)整流二極管的零電流關(guān)斷，從而降低變換器的開(kāi)關(guān)損耗，提高其效率和功率密度，因而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。

LLC諧振變換器在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特性分析時(shí)，通常對(duì)理想變壓器進(jìn)行分析，忽略其寄生參數(shù)的影響。而實(shí)際應(yīng)用中，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，寄生參數(shù)的影響難以忽略[2-3]。

本文對(duì)半橋LLC諧振變換器中變壓器寄生參數(shù)的影響進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)半橋LLC諧振變換器的實(shí)際應(yīng)用具有參考意義。

1 半橋LLC 諧振變換器寄生參數(shù)

圖1為半橋LLC諧振變換器的電路拓?fù)?，包括初?jí)側(cè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、諧振網(wǎng)絡(luò)和次級(jí)側(cè)整流濾波網(wǎng)絡(luò)。圖1中，Vin為半橋LLC諧振變換器的輸入電壓，V0為輸出電壓。開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括兩只開(kāi)關(guān)管Q1、Q2及其反并二極管D1、D2；諧振網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)諧振電感Lr、串聯(lián)諧振電容Cr和并聯(lián)諧振電感Lm，其中Lr可以用變壓器的漏感來(lái)實(shí)現(xiàn)，Lm可以用變壓器的勵(lì)磁電感來(lái)實(shí)現(xiàn)；次級(jí)側(cè)整流濾波網(wǎng)絡(luò)包括整流二極管DR1、DR2和輸出濾波電容Co，RLd為負(fù)載電阻。

圖1 理想半橋LLC 諧振變換器電路拓?fù)?/p>

基波分析法在對(duì)諧振變換器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析時(shí)被廣泛應(yīng)用。故對(duì)理想半橋LLC諧振變換器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，得出其穩(wěn)態(tài)模型見(jiàn)圖2[4]。圖中，Req為等效電阻。

圖2 理想半橋LLC 諧振變換器等效模型

此時(shí)變換器在不同負(fù)載下的增益曲線見(jiàn)圖3，其中，fr為變換器諧振頻率。當(dāng)變換器的負(fù)載較輕時(shí)，最大增益超過(guò)1[5]。

圖3 理想半橋變換器的增益曲線

實(shí)際上半橋LLC諧振變換器的寄生參數(shù)還包括初級(jí)側(cè)MOSFET的結(jié)電容Coss、次級(jí)側(cè)整流二極管結(jié)電容Cos、變壓器分布電容CTR、變壓器初級(jí)側(cè)漏感Llkp（可作為諧振電感Lr）以及次級(jí)側(cè)漏感Llks1、Llks2，見(jiàn)圖4[6]。

圖4 考慮寄生參數(shù)的半橋LLC 諧振變換器拓?fù)?/p>

開(kāi)關(guān)器件結(jié)電容在器件選型后可確定，本文主要討論變壓器寄生參數(shù)對(duì)半橋LLC諧振變換器造成的影響。

2 變壓器漏感的影響

變壓器實(shí)際繞制時(shí)，初、次級(jí)側(cè)均存在漏感，初級(jí)側(cè)的漏感可作為諧振電感的一部分，因此，主要考慮變壓器的次級(jí)側(cè)漏感Ls對(duì)變換器特性的影響。

2.1 原理分析

若考慮變壓器的次級(jí)側(cè)漏感，則變換器的等效模型見(jiàn)圖5[7-8]。

圖5 考慮次級(jí)側(cè)漏感等效模型

式中：Ls為次級(jí)側(cè)漏感，μH，折合至原邊值為n2Llks。

兩個(gè)人聊得很少。似乎沒(méi)有可聊的話題，又似乎話題太多，卻總是尋不到進(jìn)入的切點(diǎn)。只好聊莫高，聊阿芳，靜秋說(shuō)，她現(xiàn)在和阿芳仍然有聯(lián)系。

作出變換器的增益曲線見(jiàn)圖6，可知在考慮變壓器的次級(jí)側(cè)漏感之后，增益曲線表現(xiàn)為諧振頻率點(diǎn)左移，尤其是當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，曲線的左移更加明顯。

圖6 考慮變壓器漏感的增益曲線

由于本文中分析的半橋LLC諧振變換器采用全波整流方式，變壓器次級(jí)側(cè)有2個(gè)繞組，故對(duì)變壓器次級(jí)側(cè)漏感的影響作進(jìn)一步分析。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)通時(shí)，其工作模態(tài)見(jiàn)圖7，諧振電感電流開(kāi)始以近似正弦規(guī)律增大，次級(jí)側(cè)二極管DR1導(dǎo)通。此時(shí)除諧振電感Lr、諧振電容Cr和勵(lì)磁電感Lm外，次級(jí)側(cè)漏感Llks1也參與諧振。

圖7 變換器上管開(kāi)通時(shí)工作模態(tài)

而當(dāng)勵(lì)磁電感電流線性下降至0之前，開(kāi)關(guān)管Q2開(kāi)通，其工作模態(tài)見(jiàn)圖8，諧振電感電流開(kāi)始以近似正弦規(guī)律減小，次級(jí)側(cè)二極管DR2導(dǎo)通。此時(shí)除諧振電感Lr、諧振電容Cr和勵(lì)磁電感Lm外，次級(jí)側(cè)漏感Llks2也參與諧振。

圖8 變換器下管開(kāi)通時(shí)工作模態(tài)

通過(guò)以上分析，可知LLC諧振變換器的變壓器次級(jí)側(cè)漏感會(huì)對(duì)變換器的增益和工作模態(tài)造成影響，特別是次級(jí)側(cè)采用全波整流時(shí)，2個(gè)繞組存在2個(gè)漏感，會(huì)在變換器不同工作模態(tài)時(shí)分別造成影響。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，對(duì)半橋LLC諧振變換器進(jìn)行了開(kāi)環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)條件為：輸入電壓Vin為680 V，輸出電壓Vo為150 V，輸出功率Po為2kW，工作頻率fs為110 kHz，諧振電容200 nF，變壓器的勵(lì)磁電感Lm為406 μH，諧振電感Lr用變壓器的漏感來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]。

變壓器1采用逐層間繞法，見(jiàn)圖9(a)，是將初、次級(jí)線圈分別繞制在奇數(shù)層和偶數(shù)層，可在層間加墊絕緣紙，優(yōu)點(diǎn)是繞制相對(duì)簡(jiǎn)單，且兩線圈間耐壓較高，缺點(diǎn)是初、次級(jí)的耦合相對(duì)較差。

圖9 變壓器繞制方式

變壓器1的初級(jí)側(cè)漏感為4.975 μH，次級(jí)側(cè)漏感分別為3.53 μH、1.44 μH。

采用變壓器1時(shí)，諧振電感電流波形如圖10所示。由圖10可知，變壓器次級(jí)側(cè)2個(gè)繞組漏感不一致時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不同工作模態(tài)時(shí)諧振頻率不同，諧振電感電流波形正負(fù)半周不對(duì)稱。

圖10 采用變壓器1 時(shí)的波形

變壓器2采用夾層式繞法，如圖9(b)所示，即三明治繞法，是指將初級(jí)繞組分成2部分，先繞制一半，接著繞制次級(jí)線圈，最后再繞制初級(jí)線圈的另一半。這種方法增大了初級(jí)與次級(jí)的有效耦合面積，減小了變壓器漏感，同時(shí)由于在初級(jí)繞組間加入次級(jí)繞組，也減小了初級(jí)繞組的層間分布電容，且只在初級(jí)繞組中多一個(gè)接頭，工藝簡(jiǎn)單，便于批量生產(chǎn)。

變壓器2的初級(jí)側(cè)漏感為6.81 μH，次級(jí)側(cè)漏感分別為0.83 μH、0.83 μH。采用變壓器2時(shí)，諧振電感電流波形見(jiàn)圖11。由圖11可知：變壓器次級(jí)側(cè)2個(gè)繞組漏感基本一致，諧振頻率基本一致，諧振電感電流波形正負(fù)半周對(duì)稱。

圖11 采用變壓器2 時(shí)的波形

故半橋LLC諧振變換器采用全波整流方式時(shí)，需特別注意變壓器的繞制方式，保持次級(jí)側(cè)2個(gè)漏感一致。

3 變壓器分布電容的影響

變壓器的分布電容在實(shí)際繞制中也不可避免，主要分為繞組匝間電容、層間電容、繞組電容和雜散電容等。

3.1 原理分析

考慮變換器的分布電容，變換器的等效電路見(jiàn)圖12。

圖12 考慮分布電容等效模型

式中：CTr為變壓器分布電容，pF。

根據(jù)式（3）作出增益曲線見(jiàn)圖13。一般情況下，變壓器的分布電容為pF級(jí)。根據(jù)增益曲線可以看出，變壓器的分布電容會(huì)造成變換器在低頻段的增益下降以及高頻段的增益曲線上抬。特別是在負(fù)載較輕時(shí)，分布電容的影響會(huì)更嚴(yán)重。

圖13 考慮變壓器寄生電感、分布電容增益曲線

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證變壓器分布電容的影響，在空載情況下，對(duì)半橋LLC諧振變換器試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)條件為：輸入電壓Vin為680 V，輸出電壓Vo為150 V，輸出功率Po為2 kW，工作頻率fs為110 kHz，諧振電容200 nF，變壓器的勵(lì)磁電感Lm為406 μH，諧振電感Lr即初級(jí)側(cè)漏感為6.81 μH，次級(jí)側(cè)漏感均為0.83 μH。

當(dāng)變壓器分布電容較大時(shí)，由于分布電容參與諧振，空載時(shí)諧振電感電流、次級(jí)側(cè)二極管電壓波形見(jiàn)圖14，振蕩嚴(yán)重。

圖14 分布電容較大時(shí)空載波形

雖然變壓器分布電容不可避免，但可通過(guò)以下途徑減小其大?。?/p>

1）通過(guò)選擇介電常數(shù)較低的漆包線、增大繞組匝間的距離、多槽骨架分段繞制減小繞組匝間電容。

2）通過(guò)增大繞組層間距離（如：采用三重絕緣線）、選擇繞線面積較寬的骨架、采用交叉堆疊繞法來(lái)減小層間電容。

3）通過(guò)增加絕緣厚度、增加法拉第屏蔽層來(lái)減小繞組電容。

根據(jù)以上途徑將變壓器分布電容減小后，空載時(shí)諧振電感電流、次級(jí)側(cè)二極管電壓波形見(jiàn)圖15，其造成的諧振明顯減小。

圖15 分布電容較小時(shí)空載波形

4 結(jié)論

針對(duì)LLC諧振變換器在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特性分析時(shí)，通常對(duì)理想變壓器進(jìn)行分析，忽略其寄生參數(shù)的影響的問(wèn)題，本文對(duì)LLC諧振變換器中的變壓器寄生參數(shù)造成的影響進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)LLC諧振變換器的實(shí)際應(yīng)用具有參考意義。