基于全橋LLC諧振變換器的光伏逆變器升壓DC/DC變換器設計

摘要：為了提高光伏并網(wǎng)逆變器中DC/DC升壓變換器的效率，并減小變換器的體積，提出了一種基于全橋LLC諧振變換器拓撲的DC/DC升壓變換器設計方案，并完成了基于L6599諧振控制器的變換器的主電路和控制電路的設計。實驗結果表明。該變換器實現(xiàn)了在全負載范圍內(nèi)主開關管的零電壓開通，具有較高的效率，達到了設計要求。

隨著新能源發(fā)電技術的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)得到了日益廣泛的應用。光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、光伏并網(wǎng)逆變器、儲能蓄電池等組成。為了實現(xiàn)光伏直流電能到交流電能的轉換，核心是光伏逆變器。光伏逆變器一般由DC/DC升壓部分和DC/AC逆變部分組成，其中DC/DC升壓環(huán)節(jié)對整個逆變器的效率、體積以及可靠性等有著重要的影響。

目前，光伏逆變器DC/DC升壓環(huán)節(jié)多采用PWM控制的硬開關變換器實現(xiàn)，具有方案成熟、控制簡單的特點。但是硬開關變換器會產(chǎn)生很大的開關損耗，同時由于較高的電流電壓變化率會生產(chǎn)生嚴重的EMI問題。而軟開關技術可以有效的解決這些問題。

綜上，本文提出了一種應用與光伏逆變器的基于全橋LLC諧振變換器的DC/DC升壓變換器。由于采用了軟開關技術可以大大降低器件的開關損耗，大大提高了整個光伏逆變器的效率。并且由于軟開關可以實現(xiàn)更高的開關頻率，因而能夠減小整個逆變器的體積并降低成本。[!--empirenews.page--]

1 全橋LLC變換器的工作原理分析

全橋LLC諧振變換器的主電路如圖1所示。其中變壓器原邊電路主要由功率管Q1～Q4組成方波產(chǎn)生部分和諧振電感Lr、諧振電容Cr以及原邊激磁電感Lm組成的諧振網(wǎng)絡兩部分組成，變壓器副邊電路主要由整流二極管VD5～VD8組成的整流部分以及輸出濾波電容Co組成。對于原邊諧振網(wǎng)絡有兩個諧振頻率，一個是諧振電感L和諧振電容Cr的諧振頻率

LLC全橋諧振變換器包括3個工作區(qū)域：當開關頻率ff2時主開關管工作在ZVS狀態(tài)，而副邊整流二極管工作在電流連續(xù)狀態(tài)。為了使MOS管損耗較小應使變換器工作在第二或第三區(qū)域。

當開關頻率f2

階段2(t1-t2)：在t1時刻激磁電流等于諧振電流，整流二極管零電流關短，因此激磁電感Lm兩端電壓不再被箝位，與諧振電感Lr和諧振電容Cr一起參與諧振過程。因為激磁電感遠大于諧振電感，可認為這段時問諧振電流近似恒定不變，諧振電容Cr電壓線性上升。

階段3(t2-t3)：在t2時刻開關管Q1、Q3關斷，在激磁電流作用下，Q2、Q4的結電容Coss2、Coss4放電。Q1、Q3的結電容Coss1、Coss3充電，直到t3時刻開關管Q1、Q3兩端電壓uds1、uds3上升到輸入電壓Vin，Q2、Q4兩端電壓uds2、uds4下降到0，為Q2、Q4的零電壓開通提供了條件。

階段4(t3-t4)在t4時刻變壓器次級電壓變?yōu)橄抡县?，副邊整流二極管VD6、VD8導通，激磁電感Lm兩端電壓再次被箝位退出諧振過程。

階段5(t4-t5)，在t5時刻開關管Q2、Q4導通，二極管VD6、VD8導通為負載提供能量，諧振電容Cr被諧振電流ir放電，電壓下降。

階段6(t5-t6)，在t5時刻激磁電流等于諧振電流，整流二極管零電流關短，激磁電感Lm與諧振電感Lr和諧振電容Cr一起參與諧振過程。諧振電流ir近似恒定不變，諧振電容Cr電壓線性下降。

階段7(t6-t7)，在t6時刻Q2、Q4關斷，在激磁電流作用下，Q2、Q4的結電容Coss2、Coss4充電。Q1、Q3的結電容Coss1、Coss3放電，在t6時刻開關管Q1、Q3兩端電壓uds1、uds3下降到0，Q2、Q4兩端電壓uds2、uds4上升到輸入電壓Vin，為Q1、Q3的零電壓開通提供條件。[!--empirenews.page--]

階段8(t7-t8)在t4時刻變壓器次級電壓變?yōu)樯险仑摚边呎鞫O管VD5、VD7導通，激磁電感Lm兩端電壓再次被箝位退出諧振過程。

從上述過程可以看出，當變換器工作在f時可以實現(xiàn)功率管的零電壓開通和副邊整流二極管的零電流關斷。

2 LLC全橋諧振變換器主電路參數(shù)設計

本文設計的LLC全橋諧振變換器輸入直流電壓范圍Uin=30～38 V，額定電壓為34 V，輸出電壓Uo=380 V，滿載功率Po=500W，諧振頻率為134 kHz。設計步驟如下：

3 LLC全橋諧振變換器控制電路參數(shù)設計

控制芯片采用意法半導體的高性能諧振控制芯片L6599，它可以提供固定死區(qū)時間的PFM信號，最高頻率可達500 kHz。芯片內(nèi)部由壓控振蕩器、誤差放大器、基準電壓源等組成?；贚6599設計的控制電路部分電路如圖3所示，具體設計過程如下。[!--empirenews.page--]

1)振蕩器阻容參數(shù)與軟啟動電容參數(shù)設計

LLC諧振變換器一般采用變頻的方式進行軟啟動。變換器上電時工作在最高頻率，可以有效降低沖擊電流并使輸出電壓沒有過沖。一般設定軟啟動頻率為Lr、Cr諧振頻率的2倍。當負載最重時變換器工作頻率最低。由此可得振蕩器的最高和最低工作頻率

首先確定軟啟動電容參數(shù)，取C2=470 pF，則R2=4.2 kΩ。

2)過欠壓保護電路的設計

LLC諧振變換器需要在一定的輸入電壓范圍內(nèi)工作，超出工作范圍就可能使開關工作在硬開關狀態(tài)從而燒毀。

L6599的過欠壓保護閾值由R4、R5確定，關系式如下

本設計中最小輸入電壓為30 V，最大輸入電壓為38 V，由此可得R4=23 kΩ，R5=533.3 kΩ。

4 結實驗結果分析

根據(jù)上一章設計的參數(shù)搭建一臺500 W的全橋LLC諧振變換器。在輸入電壓34 V，輸出功率100 W情況下，關鍵點實驗波形如圖4所示。

從圖中可以看出，VT在開通之前兩端電壓已經(jīng)為0，實現(xiàn)了零電壓開通。同時副邊電流是斷續(xù)的，二極管工作在ZCS狀態(tài)。整個電路實現(xiàn)了軟開關的功能。

5 結論

本文詳細分析了LLC諧振變換器的工作原理，同時以光伏逆變器中DC/DC升壓變換器為研究背景介紹了全橋LLC諧振變換器主電路參數(shù)的設計方法，并基于L6599控制芯片制作了一臺輸入34 V額定功率500 W的變換器樣機。實驗結果表明，所設計的LLC諧振全橋變換器在額定輸入電壓條件下實現(xiàn)了初級開關管的零電壓開通以及次級整流二極管的零電流關斷，并具有較高的工作效率，具有廣闊的應用前景。