基于LLC拓?fù)涞膶掚妷狠敵鯨ED驅(qū)動(dòng)電源研究

半橋LLC 變流器有兩個(gè)諧振頻率。當(dāng)變壓器初級(jí)電壓被輸出電壓箝位時(shí)，Lm 不參加諧振，Lr和Cr 產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率為f1;當(dāng)變壓器不向次級(jí)傳遞能量時(shí)，Lm 電壓不被箝位，Lm，Lr，Cr 共同參與諧振，構(gòu)成諧振頻率f2 為：

2.2 直流增益曲線及工作區(qū)間

采用基波近似方法， 可推導(dǎo)出LLC 諧振變流器的直流電壓增益表達(dá)式為：

式中：m=Lm/Lr;fn =fs/f1，fs 為開(kāi)關(guān)頻率;Ro 為等效輸出電阻。

圖2 示出半橋LLC 變流器在不同負(fù)載情況下的直流增益曲線。LLC 工作在f1(即圖中(1，1)點(diǎn))時(shí)，諧振回路阻抗最小，損耗最低。所以在普通設(shè)計(jì)中，一般將滿載工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在該點(diǎn)。

在圖2 所示3 區(qū)間中， 開(kāi)關(guān)管工作在容性區(qū)域，開(kāi)關(guān)損耗大，所以在任何設(shè)計(jì)中都應(yīng)該避免電路工作在此區(qū)域。而2 區(qū)間中，LLC 工作在諧振電流斷續(xù)模式，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)初級(jí)開(kāi)關(guān)管ZVS 開(kāi)通和次級(jí)整流管ZCS 關(guān)斷，避免反向恢復(fù)，所以恒壓輸出的設(shè)計(jì)中， 一般將所有負(fù)載情況下的工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在該區(qū)間中。但是在恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計(jì)中，負(fù)載變化大，對(duì)應(yīng)的直流增益變化范圍大， 很難保證全負(fù)載范圍內(nèi)所有的工作點(diǎn)均在ZVS 區(qū)域。并且電路工作在最大增益點(diǎn)和(1，1)點(diǎn)之間的曲線上， 這段曲線增益越小， 越接近諧振點(diǎn)。故僅能將滿載工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在直流增益高，即fs

在圖2 所示1 區(qū)間中，fs>f1，LLC 工作在諧振電流連續(xù)模式，初級(jí)開(kāi)關(guān)管可實(shí)現(xiàn)ZVS 開(kāi)通，次級(jí)整流管不能實(shí)現(xiàn)ZCS 關(guān)斷，會(huì)有反向恢復(fù)過(guò)程，但在輸出電流小的情況下影響不大。這一區(qū)間增益曲線斜率較大，直流增益可調(diào)的范圍廣，可滿足恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計(jì)的要求。

2.3 恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計(jì)

半橋LLC 的直流增益為：

式中：n 為實(shí)際變壓器繞組匝比;Uin，Uo分別為輸入、輸出電壓。

可見(jiàn)，為得到最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)(即諧振點(diǎn))，僅需取期望的變壓器繞組匝比Nnor=Uin /(2Uo)。

由圖2 可見(jiàn)，曲線增益越小，斜率越大。若滿載的工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在諧振點(diǎn)，輸出電壓降至一半(即Gdc 降至0.5)時(shí)的工作頻率將達(dá)到2 倍諧振頻率以上， 工作頻率范圍很廣。為使工作頻率范圍變窄，可選擇增益曲線斜率大的一段，即Gdc<1.由式(3)及Nnor 計(jì)算式可知，若n

圖3 中，虛線為Uo 在200~100 V 變化時(shí)對(duì)應(yīng)的Gdc， 實(shí)線為Uo 為200~100 V 時(shí)等效負(fù)載的增益曲線，Uo 相同時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)線和虛線的交點(diǎn)即為電路實(shí)際的工作點(diǎn)。在此設(shè)計(jì)中，Uo 從200~100 V變化時(shí)，工作頻率的范圍為1.22f1~2.11f1.

3 參數(shù)分析與優(yōu)化

3.1 f1 選擇

考慮到磁元件的設(shè)計(jì)， 電路滿載時(shí)的工作頻率設(shè)計(jì)在100 kHz 左右較為理想。為保證半載工作效率，半載頻率不能太高。所以應(yīng)當(dāng)選擇增益曲線中斜率較大的一段，即Gdc<1.電路實(shí)際的工作頻率始終大于f1，所以應(yīng)選f1<100 kHz，設(shè)計(jì)在60~70 kHz 較為合理。

3.2 諧振參數(shù)Cr ， Lr

當(dāng)f1 一定時(shí)，Cr 越小，Lr 越大，Q 越大，增益曲線的斜率越大，故減小Cr 可使半載的工作頻率顯著降低。從提高半載效率的角度考慮，Cr 越小越好，但Cr 越小，其兩端的電壓峰值則越大，要降低Cr 的電壓應(yīng)力，Cr 應(yīng)取越大越好。設(shè)計(jì)中應(yīng)該折中考慮。Cr 確定后，根據(jù)f1 可計(jì)算出Lr 為：

3.3 n ， Lm 的選擇

為使開(kāi)關(guān)頻率的范圍縮窄， 實(shí)際變壓器繞組匝比應(yīng)小于期望的變壓器繞組匝比，n

從減小開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗的角度考慮， 變壓器Lm 的值越大，初級(jí)電流有效值越小，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗也越小，故希望Lm 越大越好。但Lr 一定時(shí)，Lm 越大則m 越大，增益曲線的斜率變小。為保證所需的Uo 使變換器的工作頻率范圍變寬，會(huì)影響Uo 降到一半時(shí)的效率。所以，在保證一定的開(kāi)關(guān)頻率范圍的前提下，Lm 越大越好。[!--empirenews.page--]

上述所有參數(shù)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮多方面因素，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行合理的取舍，針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合找到最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述理論分析，設(shè)計(jì)了一臺(tái)恒流寬范圍輸出LLC 變換器樣機(jī)，并進(jìn)行了效率優(yōu)化。指標(biāo)要求為：Uin=400 V，輸出電流Io=0.7 A，Uo=200~100 V.

主開(kāi)關(guān)管選用FDP12N50， 次級(jí)整流二極管選用SF1005G.Nnor 需按輸出電壓最大值設(shè)計(jì)：Nnor=Uin /(2Uomax)=1.

實(shí)際變壓器初次級(jí)匝比n

測(cè)得樣機(jī)的效率曲線如圖5 所示。可見(jiàn)，fs 變化范圍選擇在80~150 kHz，f1 選在60 kHz 較為合理。樣機(jī)效率較高，整機(jī)效率達(dá)到95.5%~97.2%.

5 結(jié)論

介紹了恒流寬范圍輸出LLC 諧振變流器的設(shè)計(jì)方法，指出其與傳統(tǒng)恒壓LLC 設(shè)計(jì)上的不同考慮，分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。對(duì)于寬范圍輸出的LLC，工作區(qū)間應(yīng)設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率，直流增益小于1 的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)證明，在整個(gè)負(fù)載變化范圍內(nèi)效率均高于95.5%.該設(shè)計(jì)方法較適合于小電流輸出場(chǎng)合，樣機(jī)輸出電流為0.7 A.若是大電流輸出，工作在連續(xù)狀態(tài)下的LLC 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗、二極管關(guān)斷損耗影響明顯，效率會(huì)下降。

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