關于LLC串聯諧振變換器的設計資料全橋DC/DC

ID:130367 · 發表于 2018-12-2 08:41

詳細說明了LLC變換器的設計過程，公式正確，值得收藏。

傳統的移相全橋 PWM ZVS DC/DC 變換器存在一些缺點，LLC 串聯諧振全橋 DC/DC變換器能夠很好地克服這些缺點。該變換器具有PWM類變換器都不具備的效率特性，特別適合輸入電壓較高的場合(如DC/DC變換器輸入前端為三相PFC電路的情況)和有掉電維持時間限制的高性能開關電源。但LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器實際上是一種多諧振變換器MRC，存在兩個不同的諧振過程，工作情況較為復雜。同時變換器電壓增益與開關頻率，負載之間的關系不能直觀得到，各個諧振參數相互關聯，這些都給該變換器的分析設計帶來了較大困難。另外，由于諧振電壓，電流含比較大的諧波成分，因此變換器的小信號建模方法既不同于傳統PWM變換器的狀態空間平均法，也不同于普通串聯諧振變換器SRC或并聯諧振變換器PRC只考慮基波成分的建模方法，有必要對該變換器的小信號建模做詳細研究，為控制系統的設計提供理論依據。以下是全文研究工作的總結：
一.從分析比較傳統移相全橋 PWM ZVS DC/DC 變換器和 LLC 串聯諧振全橋 DC/DC變換器特點的角度，詳細研究了LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器的工作原理，利用基頻分量近似法建立了變換器的數學模型，確定了主開關管實現ZVS的條件，推導了邊界負載條件和邊界頻率，確定了變換器的穩態工作區域，推導了輸入，輸出電壓和開關頻率以及負載的關系。仿真結果證明了理論分析的正確性。
二.利用擴展描述函數的方法對 LLC 串聯諧振全橋 DC/DC 變換器進行了小信號建模，在小信號模型的基礎上對變換器的穩定性進行了理論分析，根據變換器動態性能的要求設計了控制器，仿真結果驗證了理論分析的正確性。
三．討論了一臺500w實驗樣機的主電路和控制電路設計問題，給出了設計步驟，可以給實際裝置的設計提供參考。設計過程中采用了集成磁設計方法。       實驗結果表明，LLC 串聯諧振全橋 DC/DC 變換器與傳統移相全橋 PWM ZVS DC/DC變換器相比，主要優點有三點：主開關管可以在寬負載范圍內實現ZVS；副邊整流二極管實現ZCS，沒有反向恢復問題；工作在區域2的LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器，當輸入電壓較高時，效率較高。因此該變換器具有較大應用價值。本電路的缺點主要是，諧振過程較復雜，變換器的工作狀態與負載緊密相關，增加了設計和控制的難度。

5.1.2  副邊整流二極管 ZCS情況
圖 5.4 和 5.5 分別顯示了變換器工作于區域 1 和區域 2 時，副邊整流二極管的電流和反向電壓波形。圖 5.4 中，fs為 250kHz；圖 5.5 中，fs為 87kHz。對比圖 5.4和圖5.5可以發現：當變換器工作于區域1時，副邊整流二極管存在共同導通換流的過程，在此過程中二極管反向電壓出現較大的振蕩，二極管的電壓應力遠大于2倍的輸出電壓(2×50=100V)，峰值可達200多伏，這種現象是由于二極管存在反向恢復問題所致。當變換器工作于區域2時，副邊整流二極管自然換流，不存在共同導通的過程，因此二極管反向電壓基本沒有振蕩，二極管的電壓應力大約為2倍的輸出電壓。

5.2 實驗結論
通過以上實驗波形和實驗數據，可以得出以下結論：
1).與移相全橋 PWM ZVS DC/DC 變換器相比，LLC 串聯諧振全橋 DC/DC 變換器實現ZVS的負載范圍更寬，通過合理設計諧振元件參數，可以使變換器在空載條件下，也實現ZVS。
2).工作在區域2的LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器副邊整流二極管能夠實現自然換流，沒有因反向恢復問題引起的二次寄生振蕩。因此整流電路損耗大大減小，整流二極管的電壓應力也可設計為輸出電壓的兩倍。
3).工作在區域2的LLC串聯諧振全橋DC/DC變換器，當輸入電壓較高時，效率較高。當輸入電壓繼續升高，變換器進入區域1工作，效率有所下降。這樣的效率特性是包括移相全橋PWM ZVS DC/DC變換器在內的PWM類變換器所不具備的。

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