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(多图) LLC型串并联谐振变换器参数分析与运用

沈萍 龚春英?? 2009年01月06日 ?? 收藏2

  0 引言

  随着现代电力电子技术的发展,开关电源向着高频化、集成化、模块化方向发展。提高开关频率能减小体积,提高功率密度及可靠性,平滑变化的波形和较小的电压/电流变化率也有利于改善系统的电磁兼容性,降低开关噪声。功率谐振变换器以谐振电路为基本的变换单元,利用谐振时电流或电压周期性的过零,从而使开关器件在零电压或零电流条件下开通或关断,以实现软开关,达到降低开关损耗的目的,进一步提高频率,因此得到了重视和研究。

  l 谐振电路

  谐振网络通常由多个无源电感或电容组成,由于元件个数和连接方式上的差异,常见实用的谐振变换器拓扑结构大致分为两类:一类是负载谐振型,另一类是开关谐振型。负载谐振型变换器是一种较早提出的结构,注重电源电压转换比特性的改善,按照谐振元件的谐振方式可分为串联谐振变换器、并联谐振变换器以及两者结合产生的串并联谐振变换器。

  1.1 串联谐振

  由于是串联分压方式,其直流增益总是小于1,类似BUCK变换器;轻载时为稳住输出电压,必须提高开关频率,在轻载或空载的情况下,输出电压不可调,输入电压升高使系统的工作频率将越来越高于谐振频率,而谐振频率增加,谐振腔的阻抗也随之增加,这就是说越来越多的能量在谐振腔内循环而不传递到副边输出;但在负载串联谐振中,流过功率器件的电流随着负载变轻而减小,使通态损耗减小。

  1.2 并联谐振

  输出端可以开路但不能短路,会损坏谐振电容,并且过大的原边回路电流对开关器件及电源都会产生冲击;轻载时,不需通过大幅改变频率来稳住输出电压,与串联谐振相比变换器工作范围更大,可工作至空载;当轻载时输入电流变化不大,开关管的通态损耗相对固定,在轻载时的效率比较低,较为适合工作于额定功率处负载相对恒定的场合。

  1.3 串并联谐振

  输出电压可高于或低于电源电压,且负载变化范围宽,是目前研究领域中较主流的结构。

  2 谐振参数分析

  2.1 电路拓扑

  图1为LLC型串并联半桥谐振变换器电路,主开关管S1和S2是固定0.5占空比互补导通,Lr、Cr与变压器的并联电感Lm构成LLC谐振网络,整流二极管直接连接到输出电容上。

LLC型串并联半桥谐振变换器电路

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  LLC有两个谐振谐振频率,分别为Lm与Lr、Cr产生的串并联谐振频率公式以及Lr和Cr产生的串联谐振频率。

  2.2 参数影响

  LLC谐振变换器是在串联/并联谐振变换器的基础上改进而来,由于较前两者多了一个谐振元件其设计运用也变得复杂。根据交流分析法得到LLC谐振变换器的输入输出特性为

公式

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  2.2.1 k的影响

  对于一个输入输出和功率一定的变换器而言,匝比n固定,如图2(a)所示,在某一Q下,不同的k值所带来的影响:随着k值的增大,最大增益在减小,在输入电压较低时也许达不到所要求的输出电压,且随着k值的增大,为保证所需的输出电压使得变换器的工作频率范围变宽,这不利于磁性元件的工作;但k越小则Lm越小,Lm两端电压值一定,由于感值的减小其电流峰值增大,而原边开关管关断时流过的即为激磁电感的峰值电流,存在较大的关断损耗,但若此关断电流过小则会影响到零电压开通,故k值的选择应择中考虑开关频率的范围、零电压开通及较小的关断电流。

不同参数对直流增益的影响

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