关于LLC串联谐振变换器的设计资料全桥DC/DC

ID:130367 · 发表于 2018-12-2 08:41

详细说明了LLC变换器的设计过程，公式正确，值得收藏。

传统的移相全桥 PWM ZVS DC/DC 变换器存在一些缺点，LLC 串联谐振全桥 DC/DC变换器能够很好地克服这些缺点。该变换器具有PWM类变换器都不具备的效率特性，特别适合输入电压较高的场合(如DC/DC变换器输入前端为三相PFC电路的情况)和有掉电维持时间限制的高性能开关电源。但LLC串联谐振全桥DC/DC变换器实际上是一种多谐振变换器MRC，存在两个不同的谐振过程，工作情况较为复杂。同时变换器电压增益与开关频率，负载之间的关系不能直观得到，各个谐振参数相互关联，这些都给该变换器的分析设计带来了较大困难。另外，由于谐振电压，电流含比较大的谐波成分，因此变换器的小信号建模方法既不同于传统PWM变换器的状态空间平均法，也不同于普通串联谐振变换器SRC或并联谐振变换器PRC只考虑基波成分的建模方法，有必要对该变换器的小信号建模做详细研究，为控制系统的设计提供理论依据。以下是全文研究工作的总结：
一.从分析比较传统移相全桥 PWM ZVS DC/DC 变换器和 LLC 串联谐振全桥 DC/DC变换器特点的角度，详细研究了LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的工作原理，利用基频分量近似法建立了变换器的数学模型，确定了主开关管实现ZVS的条件，推导了边界负载条件和边界频率，确定了变换器的稳态工作区域，推导了输入，输出电压和开关频率以及负载的关系。仿真结果证明了理论分析的正确性。
二.利用扩展描述函数的方法对 LLC 串联谐振全桥 DC/DC 变换器进行了小信号建模，在小信号模型的基础上对变换器的稳定性进行了理论分析，根据变换器动态性能的要求设计了控制器，仿真结果验证了理论分析的正确性。
三．讨论了一台500w实验样机的主电路和控制电路设计问题，给出了设计步骤，可以给实际装置的设计提供参考。设计过程中采用了集成磁设计方法。       实验结果表明，LLC 串联谐振全桥 DC/DC 变换器与传统移相全桥 PWM ZVS DC/DC变换器相比，主要优点有三点：主开关管可以在宽负载范围内实现ZVS；副边整流二极管实现ZCS，没有反向恢复问题；工作在区域2的LLC串联谐振全桥DC/DC变换器，当输入电压较高时，效率较高。因此该变换器具有较大应用价值。本电路的缺点主要是，谐振过程较复杂，变换器的工作状态与负载紧密相关，增加了设计和控制的难度。

5.1.2  副边整流二极管 ZCS情况
图 5.4 和 5.5 分别显示了变换器工作于区域 1 和区域 2 时，副边整流二极管的电流和反向电压波形。图 5.4 中，fs为 250kHz；图 5.5 中，fs为 87kHz。对比图 5.4和图5.5可以发现：当变换器工作于区域1时，副边整流二极管存在共同导通换流的过程，在此过程中二极管反向电压出现较大的振荡，二极管的电压应力远大于2倍的输出电压(2×50=100V)，峰值可达200多伏，这种现象是由于二极管存在反向恢复问题所致。当变换器工作于区域2时，副边整流二极管自然换流，不存在共同导通的过程，因此二极管反向电压基本没有振荡，二极管的电压应力大约为2倍的输出电压。

5.2 实验结论
通过以上实验波形和实验数据，可以得出以下结论：
1).与移相全桥 PWM ZVS DC/DC 变换器相比，LLC 串联谐振全桥 DC/DC 变换器实现ZVS的负载范围更宽，通过合理设计谐振元件参数，可以使变换器在空载条件下，也实现ZVS。
2).工作在区域2的LLC串联谐振全桥DC/DC变换器副边整流二极管能够实现自然换流，没有因反向恢复问题引起的二次寄生振荡。因此整流电路损耗大大减小，整流二极管的电压应力也可设计为输出电压的两倍。
3).工作在区域2的LLC串联谐振全桥DC/DC变换器，当输入电压较高时，效率较高。当输入电压继续升高，变换器进入区域1工作，效率有所下降。这样的效率特性是包括移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器在内的PWM类变换器所不具备的。

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