基于L6599的串并联谐振变换器设计与实现(一)

0 引言

重量轻、体积小、高效率的"绿色电源"已成为电源产品的发展方向。"软开关"技术便是通过在开关电路中引入缓冲电感和电容，利用其谐振使得开关器件中电流或两端电压按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时使器件关断，当电压下降到零时使器件开通，即零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)[1].在开关过渡过程中减小开关的应力而使储存的电磁能量增大，有利于提高变换器的开关频率和效率。

对中小功率直流变换器而言，采用高频软开关技术控制的半桥拓扑易于实现高频化、减小变换器体积、进一步提高系统效率。其中LLC型串并联谐振变换器可实现在全电压范围及全负载条件下主功率管的ZVS和整流二极管的ZCS,效率较高，利于高频化，广泛用于中功率场合。

1 电路拓扑和工作原理

半桥LLC串并联谐振变换器电路结构如图1所示，VT1、VT2组成上下一对桥臂，C 1、C 2和VD1、VD2分别为MOS管VT1、VT2的结电容和寄生反并二极管，谐振电感L r、谐振电容C r和变压器激磁电感L m构成谐振网络，C r也起了隔直电容的作用。变压器副边为桥式整流，C o为输出滤波电容。

图1 半桥LLC型串并联谐振变换器拓扑

LLC谐振变换器有两个本征谐振频率，定义由L r和C r发生谐振的谐振频率为：

由L r、L m和C r发生谐振时的谐振频率为：

当变换器工作在f m< f s< f r频率范围内，用SABER软件进行仿真，主要波形如图2所示，UCr是C r两端电压，U ds1为MOS管VT1漏-源电压，io为输出电流，ir和im分别为谐振电流和变压器原边激磁电流。

图2 额定负载下fm

工作可分为两个阶段：

(1) 传输能量阶段：L r和C r上流过正弦电流且ir>im,能量通过变压器传递至副边;

(2) 续流阶段：ir=im原边停止向副边传递能量，L r、L m和C r发生谐振，整个谐振回路感抗较大，变压器原边电流以相对缓慢的速率下降。

通过合理设计可以使变压器原边MOS管零电压开通，副边整流二极管在ir=im时电流降至零，实现零电流关断，降低开关损耗。如上所述，变换器工作在fm

2 参数设计

1)主电路参数设计

半桥LLC谐振电路是一非线性电路，在此先将其转换为一线性电路(如图3)，采用基波法分析。推导得变换器直流增益G dc为：

式中x为开关频率fs相对于谐振频率fr的归一化频率;n为变压器原副边匝比;系数k是L r把L m归一化的量，定义k=L m/L r;串联谐振电路品质因数为Q.

图3 半桥LLC谐振的稳态等效电路

变换器能量传递主要由谐振网络从输入源侧传送到负载端，谐振网络是整个变换器设计的重点。而LLC谐振变换器各参数间关系及影响较两元件谐振变换器要复杂，需在初步确定各参数值的基础上再进行整体优化。

先根据电压增益和工作频率选取n,n需满足轻载下的最低直流增益要求。再根据式(3)在U in最大且空载(Q=0)情况下须达到要求的U o来选取k值。当n、k固定时，G dc、x和Q的关系如图4所示。每条增益曲线随着频率的增大都是先增大后减小，在某个频率点处都有一拐点，且随Q的增大最大直流增益减小，拐点频率则增大。对于各Q值相应的G dc曲线上的拐点，我们在此引入归一化输入阻抗：

其中Z n为归一化输入阻抗，Z in为谐振网络的输入阻抗，Z r为特征阻抗，Z r=2πfrL r.[!--empirenews.page--]

图4 k、n一定时Gdc、x和Q关系图

由图5可见当x1时Z in则呈感性，x0

图5 谐振网络归一化输入阻抗特性

谐振网络工作在感性区内时，输入电流滞后于输入电压，当一桥臂驱动信号由高电平变为低电平时电流对上、下桥臂MOS管结电容充放电以使得另一桥臂零电压开通。当x>xz时工作于感性区域，由式(3)和(5)得：

Qmax是在输入阻抗为阻性时的值，工程上一般取5%左右的余量，即QZVS1=95%·Qmax。

变换器从空载至满载均要实现零电压开关，则空载且U in最大时仍需满足零电压开关的条件：

其中C eq为MOS管的寄生结电容，t d为VT1、VT2均没有触发信号的死区时间。

在fm

图6表示n、Q一定不同k值时G dc曲线图，可见k值越小时相同频率变化范围内G dc变化越明显，有利于宽U in范围的调节;而k越小在一定程度上L m越小，则由电流增加带来的开关管及变压器损耗的增加会影响变换效率。k值越大时最大G dc越小，U in较低时使得U o无法满足设计要求，且k越大fm和fr间频率范围越大，不利于磁性元件的设计，需折中优化选取k值。

图6 不同k值下变换器直流增益曲线图

在确定了谐振网络中各元件的值后k与Q的乘积便固定了，见式(8)，减小k值需相应地调大Q值，反之亦然。

根据上述步骤选定主要谐振参数后，结合各参数间的相互关系，可进行合理优化选取。