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LLC型串并联谐振变换器参数分析与运用技术分类:电源技术|2009-01-06沈萍龚春英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。雇ㄌ鸷募跣。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。图1半桥LLC谐振变换器拓扑点击看原图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fo-/2ttVfo-/2ttV(?r+Lm)Cr以及Lr和Cr产生的串联谐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
2+p\X(1)式中:虹缶;AX-口/为谐振频率;Jr几为变压器原副边匝比;品质因数。=咨堂。n^RIT点击看原图2.2.1k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。谑淙氲缪菇系褪币残泶锊坏剿蟮氖涑龅缪,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。琇m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。oooo2.52.5GJx.l)GJx,2)知(x,5)jG*(x,10)oooo2.52.5GJx.l)GJx,2)知(x,5)jG*(x,10)0.5(a)不同上值下的直流增益(b)不同Q值下的直流增益图2不同参数对直流增益的影响点击看原图2.2.2Q的影响在确定了n和k值的情况下,Q值的大小直接关系到直流增益是否足够大。对于特定的输入电压范围Q值越。杂Φ目仄德史段г叫(对于f0<f<fr这种工作模态而言),这样有助于磁性元件的工作;但对于确定了的Lm和Lr,Q越小Cr越大,谐振腔的阻抗变。沟帽浠黄鞯亩搪诽匦员洳,在负载较重的时候尽量选择较小的Cr以达到要求的输出电压。3电路分析当开关频率f<f0时可知谐振网络呈容性状态,不利于开关管的ZVS开关,就不展开讨论了,下面先以开关频率范围f0<f<fr来分析LLC谐振电路的工作过程。在f0<f<fr频率范围内变换器会因负载不同,其工作过程也有所不同,当电路工作在f0<f<fr范围内时Lr与Cr等效成一容Ceq,整个谐振腔等效为Lm和负载并联再与Ceq,谐振腔阻抗到底呈感性还是容性就要根据频率和负载的轻重(Q值大小)而定。运用Saber
软件对LLC半桥谐振变换器在进行仿真,并进行模态分析。变换器Vin=270V,Vo=360V,额定功率500W,其中谐振网络参数如下:Lr=27.知,Lm=137p,Cr=92.4n。1不同负载下的仿真与分析1.1满载满载情况下的模态分析及仿真波形分别如图3及图4所示。[s上d:2[2mCvC,LmD2^A卒D4
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