1、LLC諧振變換器優(yōu)化設(shè)計方法摘要：雖然LLC諧振變換器具有高效率，輸入變化寬的操作，但是缺乏設(shè)計方法使得它很難實現(xiàn)。在本文中，基于正常情況和滯后時間情況下對操作原則的工作原理分析，使得變換器的效率與不同電路參數(shù)的操作范圍之間的關(guān)系被發(fā)現(xiàn)。基于已知關(guān)系下的一種優(yōu)化方法已被開發(fā)出來。一個1MHz,lkWLLC變換器的設(shè)計用來驗證所提出的方法。I引言隨著電力轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，功率密度已經(jīng)成為前端AC/DC變換器的主要挑戰(zhàn)123。雖然提高開關(guān)頻率可以顯著的減少無源元件的大小尺寸，它的效益被變換器的效率和熱管理設(shè)計所限制。同時，為了滿足續(xù)流時間的需求，笨重的電容器在續(xù)流時間里用來維持能量，這是受直流/直流

2、階段輸入電壓范圍的影響1。續(xù)流時間電容器的需求與最低直流/直流變換器功率級階段不同的前端輸入電壓如圖1所示。顯然，直流/直流階段寬范圍的操作可以降低續(xù)流時間電容器的要求，提高系統(tǒng)的功率密度。然而，當最小電壓低于200V，非常有限的影響可以觀察到。丿p.r*圖1.不同的最小輸入電壓DC/DC級滯留時間電容器的要求為了減少續(xù)流電容器的要求，通過使用額外的續(xù)流時間延長電路或開發(fā)更好的拓撲結(jié)構(gòu)，不同的研究工作已經(jīng)實現(xiàn)456。不同的解決方案中，LLC諧振變換器的高效率，寬的操作范圍使得它成為最有吸引力的拓撲結(jié)構(gòu)。1.5IW2(=2)ZCS43=0.3jr卜ZVS!/Q=11圖2.LLC諧振變換器0.50

3、.20.40.60.811.2f/fO1.4圖3.LLC變換器的增益特性LLC諧振變換器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2。通過利用變壓器的勵磁電感，LLC諧振變換器修改了串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器（SRC）的增益特性。針對不同的負載，其電壓增益特性如圖3所示，由于半橋結(jié)構(gòu)，輸出電壓與輸入電壓的一半歸一化。與串聯(lián)諧振變換器相比，LLC諧振變換器可以實現(xiàn)升壓和降壓模式。當開關(guān)頻率高于諧振頻率,LLC變換器電壓增益總是小于1,它工作如同串聯(lián)諧振變換器，可以實現(xiàn)零電壓開斷。當開關(guān)頻率低于諧振頻率，在不同的負載條件下，無論是零電壓還是零電流開關(guān)都可以實現(xiàn)。在ZVS和ZCS區(qū)域的邊界，如圖3中虛線所示，變換器的電壓增益可以達到它的最大

4、值。根據(jù)電路的運行分析，在諧振頻率下，由于電感和電容，諧振阻抗是零，輸入和輸出電壓幾乎是連在一起的。因此，對于任何負載情況電壓增益都是等于1。當輸入交流線存在，DC/DC級輸入電壓由PFC階段產(chǎn)生的，電壓調(diào)節(jié)在400V。在這種情況下，通過選擇合適的變壓器匝數(shù)比，變換器可以工作在諧振頻率下。因此，傳導損耗和開關(guān)損耗可以最小化。在續(xù)流時間里，能量由續(xù)流電容器轉(zhuǎn)移到負載。隨著直流/直流輸入電壓不斷減小，變換器降低它的開關(guān)頻率，使它工作在升壓模式來調(diào)節(jié)輸出電壓。由于諧振槽的復雜性，LLC諧振變換器的設(shè)計需要考慮三個關(guān)鍵要素，諧振頻率，品質(zhì)因數(shù)，和電感的比值，辦=，-17TLrCrJLJCrn2RtL用

5、nL在這里，F(xiàn)0是諧振頻率，它定義了LLC諧振變換器的開關(guān)頻率。品質(zhì)因數(shù)Q是特性阻抗和負載之間的比值。Ln被定義為勵磁電感與諧振電感的比值。雖然不同的文獻9-11中曾討論過電路拓撲結(jié)構(gòu)的操作原理和好處，但是沒有一定的設(shè)計準則。此外，LLC諧振變換器不僅僅像串聯(lián)諧振或者并聯(lián)諧振那樣簡單的選擇電路品質(zhì)因數(shù)，它需要定義兩個耦合元件Ln和Q。顯然，嘗試和錯誤的方法會產(chǎn)生一個很好的設(shè)計。然而，這很耗時而且不符合成本效益。以至于這個拓撲結(jié)構(gòu)很難被一些行業(yè)所采用。在本文中，基于不同的操作條件對LLC諧振變換器的分析，包括正常運行和續(xù)流時間，優(yōu)化設(shè)計的方法已被開發(fā)出來?；谠摲椒ǎO(shè)計的LLC變換器可以在預期

6、的操作范圍內(nèi)達到最大的效率，這可以被一個1MHz的LLC諧振變換器驗證。II.LLC諧振變換器電路運行分析A.正常運行分析在正常操作條件下，LLC變換器的輸入電壓由PFC級調(diào)節(jié)控制。從如圖3所示的增益特性曲線可知，變換器在諧振頻率下增益保持一致。因此，在正常的操作條件，通過設(shè)計合適的變壓器的匝數(shù)比，使變換器的電壓增益等于一，LLC諧振變換器可以在其諧振頻率下來適應不同的負載條件。大多數(shù)時間，前端變換器都是這種操作模式下運行的。因此，在諧振頻率下的效率是LLC變換器性能的關(guān)鍵因素。根據(jù)LLC諧振轉(zhuǎn)換器的操作，在諧振頻率下，諧振電流為純正弦波的波形如圖4所示。虛線是勵磁電感電流。正常運行時的等效電

7、路如圖5所示。在第一個半個周期，諧振電流ir由共振產(chǎn)生。同時，輸出電壓被施加到勵磁電感上。因此，磁化電感電流線性增加。在這半個周期結(jié)束時，最大磁化電流關(guān)斷主開關(guān)，其它開關(guān)在相同電流下實現(xiàn)ZVS。其它的半個周期中，諧振電流維持諧振，輸出電壓被施加到勵磁電感的反向極性上。因此，勵磁電感電流線性減小。一個方波電壓被加到勵磁電感上,勵磁電流是一個如圖4中虛線所示的三角形形狀。此外，在每半個周期結(jié)束時，勵磁電流的最大值會與諧振電流同時獲得相同的值。勵磁電流的峰值電流可以確定:這里n是變壓器原邊和副邊之間的比值，VO是輸出電壓，T是開關(guān)周期，Lm是勵磁電感。由于在諧振頻率下的諧振電流是正弦波，它可以由方程

8、表示片=冋亦血（2硏+0）（5）這里Irms是諧振電流的有效值，fO是諧振頻率，爐是諧振電流的初始相角，它表示了諧振電流和勵磁電流之間的相位差。根據(jù)電流的波形，在每半個周期結(jié)束時，勵磁電流等于諧振電流，這意味著另一方面，諧振電流和勵磁電流的差值傳給負載，從而RL是負載電阻，n是變壓器匝數(shù)比。通過對這些方程，諧振電流的有效值是可以解決的。這里VO是輸出電壓，n是變壓器匝數(shù)比，RL負載電阻，T是諧振頻率的開關(guān)周期，Lm是勵磁電感。由于諧振電流連續(xù)的流過變壓器一次側(cè)的開關(guān)，它的有效值確定了初級側(cè)的導通損耗。與折算到一次側(cè)的負載電流相比，諧振電流的有效值是唯一與的勵磁電感，負載電阻與開關(guān)周期相關(guān)的。當

9、開關(guān)周期和負載電阻是變換器的規(guī)定值,諧振電流的有效值僅由勵磁電感來確定。除了初級側(cè)的導通損耗，二次側(cè)整流器的導通損耗也是一個大問題。對于二極管整流器來說，其損耗主要來自二極管的正向壓降和平均輸出電流是成比例的。然而，如果考慮到同步整流，也希望盡量減少二次側(cè)電流的有效值。既然我們已經(jīng)得到了諧振電流和勵磁電感電流的公式，二次側(cè)電流可以很容易的計算?；谇懊娴姆治?，二次側(cè)有效值可以表示為：1卩。5-RlT24嘰iLm2(9)從這個方程可知，與一次側(cè)電流的均方根值相同的是，二次側(cè)電流的有效值也由磁化電感完全確定?；贚LC諧振變換器工作在諧振頻率的分析，變換器的傳導損耗主要受勵磁電感影響，而非諧振電感

10、、諧振電容器。同時，初級側(cè)開關(guān)可以在全負載條件下實現(xiàn)零電壓開通，開關(guān)損耗主要來自于關(guān)斷損耗，這也取決于勵磁電感。因此，一個高效的LLC諧振變換器的設(shè)計，它的本質(zhì)是要找到一個合適的勵磁電感。B.續(xù)流時間的設(shè)計續(xù)流時間里，交流輸入線不存在，交流輸入線不存在，PFC級不再向直流/直流階段提供能量。續(xù)流時間里轉(zhuǎn)移到負載的能量全部來自續(xù)流電容。因此，直流/直流輸入電壓將在續(xù)流階段降低。為了保持穩(wěn)定的輸出電壓，需要降低交換的LLC諧振變換器的開關(guān)頻率，以至于變換器的增益可以增強。不同的PWM轉(zhuǎn)換器，LLC變換器能在高輸入電壓達到最高的效率。在續(xù)流階段，該變換器工作遠離諧振點，工作效率會較低。然而，續(xù)流時間

11、只需要20ms，效率低是可以容忍的，不會造成過度的熱應力。由于變壓器匝數(shù)比是一個定值，所需的增益是由輸入和輸出電壓之間的關(guān)系決定的，這可以表示為(10)在這里，g是是LLC變換器所需的電壓增益，VO是輸出電壓和Vin輸入電壓。從這個方程可以得出，較低的輸入電壓和高電壓增益是所必需的。如圖1所示，續(xù)流時間的電容器的要求受直流/直流環(huán)節(jié)的運行范圍的影響。更寬的操作范圍可以大大減少續(xù)流時間電容器的要求，提高整個轉(zhuǎn)換器的功率密度。因此，直流/直流階段廣泛的操作范圍是所必需的。LLC變換器的工作范圍是由電壓增益的峰值決定，實現(xiàn)的。在正常操作模式下，輸入電壓為400V,LLC變換器的電壓增益等于一。如果變

12、換器能獲得的最大增益為2,它將能夠用400/2=200V輸入調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)輸出電壓。很明顯，增益峰值越高，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的操作范圍越寬。圖6.諧振電流的增益峰值點從圖3中的增益特性曲線可知，電路運行在峰值增益時是在零電流開關(guān)的邊界（ZCS）和零電壓開關(guān)（ZVS）模式。這種情況下的諧振電流如圖6所示。在每半個周期，勵磁電感被輸出電壓鉗位。在那之后，它參與了共振并將其儲存的能量轉(zhuǎn)移給諧振電容器（諧振槽是由Lr,Cr和Lm構(gòu)成）。在每半個周期結(jié)束時，其電流被重置為零。因此，當勵磁電感的能量傳給負載時，變換器的增益達到峰值。雖然增益的峰值可以通過電流波形計算，但是它很難求解方程得到近似的解。因此，為了簡

13、化計算，基于仿真工具可以算出不同增益下的Ln和Q的值，這個仿真工具可以在短時間里自動達到穩(wěn)定狀態(tài)的電路仿真。對于不同的LN和Q值的增益峰值總結(jié)在圖7中的曲線。在這組曲線中，每行顯示的不同Ln和Q值的組合可以達到相同的電壓增益的峰值。例如，如果我們想用1.3的電壓增益峰值的變換器設(shè)計，Ln和Q沿著線1.3的任何組合可以被選擇為一個有效的設(shè)計。圖7.變換器增益的峰值與Ln,Q的關(guān)系顯然，電壓增益的峰值受Ln和Q值得影響。通過降低Ln和Q值可以獲得較高的峰值增益。III.LLC諧振變換器的設(shè)計方法LLC諧振變換器的設(shè)計目標是在廣泛的操作范圍內(nèi)實現(xiàn)最大的增益實現(xiàn)并且有最小的損耗。根據(jù)前面的分析，設(shè)計參

14、數(shù)Ln和Q揭示了與變頻器的性能之間的關(guān)系，特別是導通損耗和運行范圍。這些關(guān)系可以用來開發(fā)出LLC諧振變換器的優(yōu)化設(shè)計方法。LLC諧振轉(zhuǎn)換器大部分時間都處于正常運行條件下。當輸入交流線存在，直流/直流輸入電壓調(diào)節(jié)為400V。因此，LLC變換器可以工作在諧振頻率，達到最佳的效率。當變換器工作在諧振頻率時，它能把損耗降到最低?；谥C振變換器運行在諧振頻率下的分析，一次側(cè)和二次側(cè)的傳導損耗都是由勵磁電感所確定，如下方程所示：mis1Vo8嘰需RMSS(11)(12)因此，為了減少傳導損耗，勵磁電感應該最大限度的利用來減少原副邊的勵磁電流。反過來，磁性元件的損耗也可以減少。因為隨著開關(guān)頻率的增加，無源元

15、件的尺寸顯著降低，實現(xiàn)高功率密度，高開關(guān)頻率總是所需要的。然而，開關(guān)損耗隨開關(guān)頻率的增加而增加。因此，最小化LLC變換器的開關(guān)損耗也很重要。基于運行分析，LLC變換器的一次側(cè)開關(guān)可以在全負載的情況下實現(xiàn)零電壓開通。然而，ZVS條件由勵磁電流的峰值來確定，它可以計算為：(13)這里，n是變壓器的變比，Vo是輸出電壓，Lm是勵磁電感，T是開關(guān)周期。當一次側(cè)轉(zhuǎn)為整流部分時，由于存在大的勵磁電感，勵磁電流可以認為恒定不變。為了保證零電壓開通，勵磁電流的峰值應該滿足死區(qū)時間里MOSFET結(jié)電容的放電電流，可以表示為：(1書這里Vbus是輸入總線的電壓，Cj是MOSFET的結(jié)電容，tdead是死去時間。雖

16、然大的關(guān)斷電流可以確保軟開關(guān)條件，結(jié)果存在較大的開關(guān)損耗，因為一次開關(guān)的關(guān)斷是硬開關(guān)。因此，較小的關(guān)斷電流可降低關(guān)斷損耗。通過前面的總結(jié)分析，為了達到導通損耗的最小化，勵磁電感必須是盡可能的大。為了保證開關(guān)損耗的最小化，勵磁電感應該足夠小些來達到零電壓開通的條件并且足夠大來獲得較小的關(guān)斷電流。因此，同時考慮傳導損耗和開關(guān)損耗,Lm的優(yōu)化設(shè)計可以使一次側(cè)的關(guān)斷電流完全符合ZVS的要求。因此，通過Ln和Q的定義Lr諧振頻率12/rLrCr我們可以計算勵磁電感r_切石0(15)(16)(17)(18)(19)基于此方程，可以看出，只要Ln和Q保持不變，Lm值是固定的。換句話說，對于所設(shè)計的勵磁電感，

17、Ln和Q之間的關(guān)系是固定的。一旦Ln的值選擇好，相應的Q值就可以被設(shè)計出來。除了變換器的效率外，LLC變換器另一個主要的方面是它的工作范圍。雖然變換器的效率主要是由勵磁電感確定，Ln和Q的值會影響LLC諧振變換器的增益特性。就像前面討論的，LLC諧振變換器的廣泛操作范圍可以減少電容器續(xù)流時間的要求和提高系統(tǒng)的功率密度。為了達到預期的操作范圍，電壓增益的峰值要高于一定水平。選擇一個200kHz，lkWLLC諧振變換器為例，工作范圍從250V到400V。在這種情況下，電壓增益峰值應大于400/250=1.6從圖7中，所有的Ln和Q組合在增益1.6的線上就可以滿足增益要求。然而，這樣變換器的設(shè)計的結(jié)

18、果是無窮多解的。此外，考慮到正常的運行效率，勵磁電感被期望最大化。在此基礎(chǔ)上分析了勵磁電感，我們可以得到的勵磁電感如下：(20)根據(jù)200kHz的開關(guān)頻率，100ns的死區(qū)時間，以及450pf的寄生電容，我們可以很容易算出勵磁電感為70uH。因此，所需70uH的勵磁電感，一個被標記的線添加到圖7中，電壓增益的峰值如圖8所示。所有設(shè)計沿標記線會有相同的勵磁電感，確保在正常操作條件下達到最大效率。比較電壓增益峰值曲線，Ln必須大于5.5來滿足增益要求。然而，沿著標記線，可能有無窮多解的有效設(shè)計。為了進一步挑取一組Ln和Q合適的值，我們需要進一步考慮Ln和Q對電路操作的影響。Ln圖&LLC變換器設(shè)計實例如圖9所示，總結(jié)了不同Ln值對增益特性的影響。它表明，較大的Ln將會增加LLC諧振變換器的頻率范圍。雖然在正常操作條件下，PFC級產(chǎn)生一個穩(wěn)定的400電壓，由于工頻紋波，LLC變換器仍需要調(diào)制開關(guān)頻率來調(diào)整輸出電壓。因此，開關(guān)頻率范圍應盡可能小，這需要一個最小的Ln值。然而，更大的Ln使它更容易利用的變壓器漏感來實現(xiàn)諧振電感。因此，需要權(quán)衡變換器的尺寸和效率之間的關(guān)系來確定Ln的值?；谒x擇的Ln和Q的值，就可以相應的算出Lr和Cr的值。圖9.Ln對LLC變換器電壓增益的影響W.實驗實施為了驗證理