宽电压输入半桥型LLC谐振变换器设计与实验

摘要：半桥型LLC谐振变换器由于拓扑简单、工作效率高而得到广泛研究。此处针对宽电压输入的工作情况，采用脉冲频率调制(PFM)，避免了传统PWM控制占空比变化范围大的问题。为了提升变换器效率，对各关键谐振参数进行设计，分析了其对电源输出特性的影响，使得初级开关管实现零电压开通(ZVS)，次级二极管实现零电流关断(ZCS)。结合理论数学推导和增益曲线分析，设计了一台100 W的变频半桥型LLC谐振变换器样机，并完成了相关实验，验证了参数设计的正确性，样机的最大效率达到93.95%。同时对变换器进行了损耗分析，以便进一步优化设计。

关键词：变换器;宽电压输入;脉冲频率调制

1 引言

半桥型DC/DC变换器广泛用于中小功率场合。通过增大开关频率，可有效减小电源体积和重量，但会增加开关管损耗，影响电源电能质量及工作效率。在所有工作条件下实现软开关可很好地解决上述问题。相比传统谐振变换器，变频LLC型谐振变换器由于特殊工作性能可在宽电压输入范围内方便地稳定电压或电流。其结构简单，控制方便，寄生元件亦可参与谐振过程。初级开关管可方便地实现ZVS，关断电流小;次级整流二极管可实现ZCS，消除反向恢复时二极管损耗和振荡。在控制方法上采用PFM，开关管占空比保持在0.5，解决了宽电压输入情况下占空比变化大的问题，使得开关频率增加，从而进一步减小了变换器的体积和重量。

此处分析了变频半桥型LLC谐振变换器的工作原理和软开关特性，分析了参数设计对变换器性能的影响，以此为基础完成了电路参数的优化设计，并通过实验验证了变换器设计的正确性。测试了电路的效率并完成了相应的损耗分析。

2 LLC谐振变换器特点和参数分析

2.1 LLC谐振变换器拓扑

图1示出半桥型LLC谐振变换器结构。LLC谐振变换器存在两个谐振频率：Lr和Cr的谐振频率

，Lr，Cr和Lm共同发生谐振频率

。

通过仿真可知，当谐振变换器工作频率处于fmfr时，次级整流二极管均能实现ZCS。以上两种工况无法使变换器达到最优性能，因此不再进一步展开研究。

图2示出半桥型LLC谐振变换器等效电路。当次级采用半波整流电路时，折算到初级的等效电阻Re=8n2RL/π2，n为变压器匝比。由文献推导可知uab和ucd交流基波电压eab和ecd的增益为：

为便于对电路性能分析，将式(1)中一些参数进行定义。Lm/Lr定义为谐振电感系数K，反映了电路中电感参数的性质。

定义为品质因数Q，反映了串联谐振元件和负载的相互特性。由以上分析可得直流增益为：

由式(2)可知，Gdc与K，n，Q及开关频率有着密切关系。正确地选择参数方能保证变换器满足一定的性能指标。

2.2 参数分析

在n=6，fr=200 kHz，Q=0.4时，当K较小时，fm较大，最大Gdc较高;当K增大时，fm随之减小，最大Gdc降低。fr不受K变化的影响。若K值选择过大，可能导致不能达到最大Gdc的要求;若K值选择过小，则Lm较小，通过Lm的电流峰值会相应增大以维持电压不变，增大的电流会使电感铜损增大从而降低变换器效率。选择K时需折中考虑。

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在n=6，fr=200 kHz，K=3时，fr不随Q的变化而变化，而fm则受到Q的影响。Q越小，fm越小，变频器工作频率范围将会变宽，不利于磁性元件的工作;Q越大，fm越大，而Gdc变小，在输入电压较低时无法达到需要的输出值。

在K=3，fr=200 kHz，Q=0.4时，n不影响fm的大小变化，不影响Gdc变化范围。n越大，Gdc越大。需合理设计n，使其满足变换器的直流增益要求。

2.3 参数设计

此处设计的变换器参数为：额定功率100 W，最大效率大于90%。最大输入电压Uimax=400 V，最小输入电压Uimin=250 V，输出电压Uo=36 V。相对应的最大和最小Gdc分别为0.144和0.086。n=Uimax/(2Uo)=5.833≈6。合理设计Q，K，取fr=200kHz，使其在n=6的情况下满足Gdc要求。

当Q=0.4，K=3时，Gdc与fs关系如图3所示。当变换器工作频率为fm时，Gdc为最大值0.149;当变换器工作频率为fr时，Gdc为最小值0.84。因此，当输入电压从250 V变化到420 V时，fs保持在fm和fr之间，可实现初级开关管的ZVS及次级二极管的ZCS，从而满足设计要求。可求得各谐振器件参数值为Re=8n2RL/π2，Lr=QRe/(2πfr)=120.4μH，Cr=Lr/(QRe)2=5 261 pF，Lm=KLr=361.1μH。

3 实验结果

根据以上参数，制作一台100 W半桥LLC谐振变换器样机，以L6599为控制芯片，分别给出不同负载时变换器主要元件工作波形及效率曲线。

图4a，b分别示出输入250 V，400 V的主要工作波形。其中iLr为谐振槽支路电流，uab为初级桥输入电压。当输入电压发生变化时，工作频率fs发生相应变化，Uo稳定于36 V。iLr波形滞后于uab波形。可见，开关管可实现零电压开通。

图5a，b分别示出输入250 V，400 V的次级两个整流二极管电流波形。当Uin增大时，fs升高，iVD1和iVD2的最大值变小，在一个周期内导通时间增加。当iVD1减小为零时，iVD2尚未导通，iVD1实现零电流关断;当iVD2减小为零时，iVD1尚未导通，iVD2实现零电流关断。变换器实现零电流关断。

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该变换器中，fs的变化影响着Gdc的变化。通过图3可得到不同fs对应的Gdc，得到在不同输入电压条件下的工作频率。图6示出实验得到相应的fs变化曲线，可见，实验值与理论值基本吻合，变换器工作于设定工作频率范围内。

4 损耗分析

对于小功率变换器，损耗对其效率的影响较大。通过合理的参数设计，LLC谐振变换器可方便地实现主开关管的ZVS及次级二极管的ZC S，极大地减小变换器损耗。在其他损耗方面主要源于变压器和谐振电感的铜损和磁损，开关管的关断损耗和驱动损耗，整流二极管的导通损耗。通过分析与计算可得，满载输出时的总损耗为10.9 W，变换器满载时工作效率约为90.2%。

图7a为满载损耗比例，可得在输出电流较小的小功率变换器中，变压器损耗所占比例最大。其中主要为铜损，可通过改进绕制工艺尽可能减小变压器铜损。其次为整流二极管导通损耗，可通过同步整流来减小带来的损耗。图7b为输入电压350 V的效率η曲线。该变换器最高效率为93.95%，达到预期目标。在250～400 V输入电压工作范围内，满载时η>90%，与理论计算一致。

5 结论

此处设计的半桥LLC谐振电路适用于宽电压输入环境，通过脉冲频率调制，使得变换器工作频率不再受到限制，有效地减小了变换器体积。对于小功率电源，元器件损耗会严重影响到整机效率。通过合理设计，该变换器可很好地实现软开关，从而提升电路工作效率。

此处在分析变换器工作原理基础上，分析了各关键参数对变换器性能的影响，并设计出一台100 W实验样机进行研究。由实验结果可见，该变换器可很好地实现软开关，样机工作效率达到93.95%，达到了预期设计目的。