1、定频移相控制高效 LLC 谐振变换器的研究 刘志远 邵如平 王夏东 南京工业大学电气工程与控制科学学院 摘 要： 在宽范围电压输入下, LLC 谐振变换器为了获得高的电压增益, 往往造成大量的原边导通损耗。提出了一种定频移相控制 LLC 谐振变换器的数字充电设计方案。在对其拓扑结构原理分析的基础上, 完成对主电路参数和变压器的设计。基于 DSP 芯片 TMS320F28033 作为控制核心, 分析了该方案软件实现过程。最后设计了一台 350 V500 V 输入, 200 V/5 A 输出的样机, 通过仿真和实验结果验证了设计的可行性, 证明了该设计具有较小的原边导通损耗且在全负载范围内工作效率
2、达到 92%以上。关键词： LLC 谐振变换器; 定频移相; 较小导通损耗; 全负载; 作者简介：刘志远 (1992-) , 男, 硕士研究生, 主要研究方向:电动汽车充电设备。作者简介：邵如平 (1964-) , 男, 副教授, 主要研究方向:功率电子变换技术、分布式发电以及电能质量。作者简介：王夏东 (1991-) , 男, 硕士研究生, 主要研究方向:非车载充电机设计研究。收稿日期：2017-04-05Research on high efficiency LLC resonant converter with constant frequency and phase shift con
3、trolLiu Zhiyuan Shao Ruping Wang Xiadong School of Automation Abstract： LLC resonant converter often leads to a larger number of primary side conduction loss, in order to obtain high voltage gain over a wide range of inputs. This article proposed that a design scheme of digital charge for LLC resona
4、nt converter with con-stant frequency and phase-shifting control. It carry out with the specificity analysis and optimized design parameter of the LLC res-onant converter. The LLC resonant converter is based on the DSP chip TMS320 F28033 as the control core, and the paper analyzes the software imple
5、mentation process of the scheme. Finally, a prototype of 350 V 500 V input and 200 V/5 A is designed, and the feasibility of the design is verified by simulation and experiment, it is proved that the design has a smaller primary conduction loss and the work efficiency is over 92 % in the full load r
6、ange.Keyword： LLC resonant converter; constant frequency and phase-shifting; smaller primary conduction loss; full load range; Received： 2017-04-050 引言LLC 谐振变换器作为工业应用最为热门的拓扑结构之一, 具有组件少、开关应力小、效率高等优点1。因此应用于很多场合, 特别是高电压低电流输出的应用。LLC 拓扑结合了 SRC 和 PRC 的优点, 不仅可用于升降压状态, 同时谐振槽路电流可以反映负载的大小。LLC 谐振变换器在宽电压范围很大的情况
7、下具有较好的电压调节特性。LLC 谐振变换器中, 原边 MOS 管 ZVS 开通, 副边整流二极管 ZCS 关断, 软开关得以实现, 一定程度上降低了开关损耗, 便于高频化的实现, 提高了效率和功率密度2。文献1提出了一种新型 LLC 拓扑, 具有较低的导通损耗和频率变化范围。文献2提出了一种混合控制 LLC 的方法, 当其工作在不同输入电压下时, 分别采用变频和移相控制。文献3提出了一种输入电压范围不宽的定频控制 LLC 的方法。文献4提出了双移相控制双向 LLC 谐振变换器, 在两个功率传输方向上分别采用双移相和变频控制策略。由于 LLC 串联谐振变换器在宽电压输入下应该具有小的励磁电感来
8、获得高的电压增益, 因此造成了原边严重的导通损耗。而变频控制为了覆盖宽范围输入, 工作频率范围较宽, 不利于磁性元件的设计3。本文通过对 LLC 拓扑的原理和特性进行分析, 对主电路进行优化设计, 使其能够在工作电压和全负载范围内实现所有开关管的零电压开关且开关管的电压应力能降到最低。采用定频移相控制可以在不降低频率的情况下获得高的直流电压增益。设计了一台 350 V500 V 输入, 200 V/5 A 输出的样机, 利用 Saber软件初步验证分析的可靠性, 最后对样机进行实验验证, 证明了方案的正确性。1 LLC 谐振变换器的原理及分析1.1 LLC 谐振变换器主拓扑结构LLC 谐振变换
9、器如图 1 所示1, 与传统谐振变换器不同的是, LLC 变换器的一个整流桥臂上的两个整流二级管由 SR 开关代替。SR 开关与初级侧开关同步频率调制, 以便减少二级侧开关的导通损耗。图 1 LLC 谐振变换器的主电路拓扑 下载原图使用谐波近似法可以得到 LLC 谐振变换器的直流输出电压增益为:由式 (1) 可以得到谐振变换器在不同 Q 值下相应的增益曲线。如图 2 所示, 当其工作在不同负载下, 开关频率变化范围较小, 不会出现轻载调整率的问题。如果采用变频控制, 工作频率范围会比较宽, 空载可能会出现电压失调的状态。本文采用定频控制, 根据负载电压的变化, 调节开关管驱动信号的占空比或移相
10、角以稳定输出电压。图 2 LLC 谐振变换器增益曲线 下载原图1.2 工作模式分析本文采用定频移相控制模式, 如图 3 所示。即在高电压输入时, SR 开关打开与原边开关同步, 因为电流流过二次测的开关通道, 具有较小的导通电阻, 次级整流的导通损耗降低。SR 开关在不需要关闭之前, 整流器电流直接变成 0。由于电流流过串联整流二极管和 SR 开关, 整流二极管防止整流电流为负, 使 SR 开关工作在正半周期。当开关频率小于且接近谐振频率时, LLC 工作在断续模式, LLC 谐振变换器运行方式与传统谐振变换器类似, 这里不再具体阐述, 其关键波形如图 4 所示。图 3 LLC 谐振变换器工作
11、模式 下载原图图 4 定频模式下的关键波形图 下载原图当变换器的输入电压低的时候, 采用移相控制, 即副边 SR 开关通过控制栅极信号的相移, 以至于变换器可以在不降低开关频率的情况下获得高的电压增益。由于变换器工作频率范围较窄, 可以选择一个小型变压器, 以便降低变压器磁芯尺寸和导通损耗, 使其在整个负载获得最大化效率。移相模式下关键波形图如图 5 所示。图 5 移相模式下的关键波形图 下载原图开关模态 1 (t0t1) :Q1 开通, L r上的电压为 Vin-VCr, 谐振电流从漏极流过源极, 谐振腔电流 iLr线性增长。谐振电流和励磁电流的能量差通过副边整流传递到负载。由于 SR2持续
12、导通, 加在励磁电感两端电压为零。开关模态 2 (t1t2) :SR2关断, 由 Cr储存到 Lr上的能量通过 DR1和 SR2输出到电容 C0。变压器励磁电感两端电压被钳位, 此时 VLm=n Vout。i Lm线性增加, 谐振腔电流 iLr以 (V in-VCr-n Vout) /Lr的斜率减小, 最终与励磁电感上的电流相等, 即 iLr=iLm。开关模态 3 (t2t3) :Dr1关断, 因为 SR1持续开通, 变压器次级不会反射到初级侧。L r和 Lm组成的谐振网络上的电压为 Vin-VCr, 此时 Lr和 Lm同步增长。输出滤波电容 C0给负载提供能量。开关模态 4 (t3t4) :
13、Q1关段, Q 2未开通, 进入死区时间。由于 SR2保持开通, Cr继续给 Lr放电, 谐振腔电流线性增长。此时 Q2寄生电容开始放电, 为 Q2的ZVS 开通做准备。开关模态 5 (t4t5) :阶段 5 与阶段 1 对称, 这里不再重复, 其余的切换时间变换器工作模态和以上依次对称。2 LLC 谐振变换器设计2.1 主电路关键参数设计谐振网络参数的优化设计是决定变换器是否可靠的重要一环。本设计参数:谐振变换器的输入电压为 350 V500 V;额定电压 Uin=450 V;输出电压 V0=200 V;fr=100 k Hz。当输入在 450 V500 V 时, 谐振变换器工作在谐振频率附
14、近, 当输入在 350 V450 V 时, 在不降低开关频率的前提下副边 SR 采用移相控制。(1) 变压器变比:原副边匝数取整, 实际值取 1。(2) 计算最大、最小增益 Gmax、G min:增益范围为 0.911.30。设计参数时, 除了符合增益要求, 原副边电流有效值和调频范围要尽可能小。样机参数如表 1 所示。表 1 样机参数 下载原表 2.2 变压器设计变压器设计得是否合理影响着开关电源的效率和性能。当变换器工作在定频模式下, LLC 工作在谐振频率附近, 最大磁通密度为:其中:i Lm_max=n Vout/2Lmfs, Ae为磁芯截面积。当变换器工作在定频移相模式下, 此时移相角可表示为:
