關(guān)于LLC串聯(lián)諧振變換器的設(shè)計(jì)資料全橋DC/DC

ID:130367 · 發(fā)表于 2018-12-2 08:41

詳細(xì)說明了LLC變換器的設(shè)計(jì)過程，公式正確，值得收藏。

傳統(tǒng)的移相全橋 PWM ZVS DC/DC 變換器存在一些缺點(diǎn)，LLC 串聯(lián)諧振全橋 DC/DC變換器能夠很好地克服這些缺點(diǎn)。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(chǎng)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(shí)間限制的高性能開關(guān)電源。但LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器實(shí)際上是一種多諧振變換器MRC，存在兩個(gè)不同的諧振過程，工作情況較為復(fù)雜。同時(shí)變換器電壓增益與開關(guān)頻率，負(fù)載之間的關(guān)系不能直觀得到，各個(gè)諧振參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，這些都給該變換器的分析設(shè)計(jì)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(hào)建模方法既不同于傳統(tǒng)PWM變換器的狀態(tài)空間平均法，也不同于普通串聯(lián)諧振變換器SRC或并聯(lián)諧振變換器PRC只考慮基波成分的建模方法，有必要對(duì)該變換器的小信號(hào)建模做詳細(xì)研究，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。以下是全文研究工作的總結(jié)：
一.從分析比較傳統(tǒng)移相全橋 PWM ZVS DC/DC 變換器和 LLC 串聯(lián)諧振全橋 DC/DC變換器特點(diǎn)的角度，詳細(xì)研究了LLC串聯(lián)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(shù)學(xué)模型，確定了主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的條件，推導(dǎo)了邊界負(fù)載條件和邊界頻率，確定了變換器的穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域，推導(dǎo)了輸入，輸出電壓和開關(guān)頻率以及負(fù)載的關(guān)系。仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性。
二.利用擴(kuò)展描述函數(shù)的方法對(duì) LLC 串聯(lián)諧振全橋 DC/DC 變換器進(jìn)行了小信號(hào)建模，在小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上對(duì)變換器的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析，根據(jù)變換器動(dòng)態(tài)性能的要求設(shè)計(jì)了控制器，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。
三．討論了一臺(tái)500w實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主電路和控制電路設(shè)計(jì)問題，給出了設(shè)計(jì)步驟，可以給實(shí)際裝置的設(shè)計(jì)提供參考。設(shè)計(jì)過程中采用了集成磁設(shè)計(jì)方法。       實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LLC 串聯(lián)諧振全橋 DC/DC 變換器與傳統(tǒng)移相全橋 PWM ZVS DC/DC變換器相比，主要優(yōu)點(diǎn)有三點(diǎn)：主開關(guān)管可以在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS；副邊整流二極管實(shí)現(xiàn)ZCS，沒有反向恢復(fù)問題；工作在區(qū)域2的LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器，當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，效率較高。因此該變換器具有較大應(yīng)用價(jià)值。本電路的缺點(diǎn)主要是，諧振過程較復(fù)雜，變換器的工作狀態(tài)與負(fù)載緊密相關(guān)，增加了設(shè)計(jì)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(qū)域 1 和區(qū)域 2 時(shí)，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(duì)比圖 5.4和圖5.5可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)變換器工作于區(qū)域1時(shí)，副邊整流二極管存在共同導(dǎo)通換流的過程，在此過程中二極管反向電壓出現(xiàn)較大的振蕩，二極管的電壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于2倍的輸出電壓(2×50=100V)，峰值可達(dá)200多伏，這種現(xiàn)象是由于二極管存在反向恢復(fù)問題所致。當(dāng)變換器工作于區(qū)域2時(shí)，副邊整流二極管自然換流，不存在共同導(dǎo)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(yīng)力大約為2倍的輸出電壓。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
通過以上實(shí)驗(yàn)波形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：
1).與移相全橋 PWM ZVS DC/DC 變換器相比，LLC 串聯(lián)諧振全橋 DC/DC 變換器實(shí)現(xiàn)ZVS的負(fù)載范圍更寬，通過合理設(shè)計(jì)諧振元件參數(shù)，可以使變換器在空載條件下，也實(shí)現(xiàn)ZVS。
2).工作在區(qū)域2的LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器副邊整流二極管能夠?qū)崿F(xiàn)自然換流，沒有因反向恢復(fù)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(yīng)力也可設(shè)計(jì)為輸出電壓的兩倍。
3).工作在區(qū)域2的LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器，當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，效率較高。當(dāng)輸入電壓繼續(xù)升高，變換器進(jìn)入?yún)^(qū)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(nèi)的PWM類變換器所不具備的。

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