柏 余，王 榮，朱忠尼，王永攀

（1.空軍預(yù)警學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，湖北 武漢430019；2.空軍預(yù)警學(xué)院 五系，湖北 武漢430019）

0 引 言

隨著電源高頻化技術(shù)的發(fā)展，在中小功率場(chǎng)合及分布式電源系統(tǒng)中，諧振變換器由于工作頻率高，容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等優(yōu)勢(shì)日益受到重視。在LED燈電源、高壓氣體放電燈等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1，2］。

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來劃分，諧振變換器目前主要有：串聯(lián)諧振（SRC）、并聯(lián)諧振（PRC）、串并聯(lián)諧振（SPRC）及不對(duì)稱半橋諧振變換器（AHB）等傳統(tǒng)變換器［3］。這些變換器可以有效實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零壓、零流開通和關(guān)斷，但存在電壓增益非線性變化、副邊整流二極管電壓電流應(yīng)力大、變換器工作頻率fs只能大于諧振頻率fr，造成輕載工作頻率太高等問題。

為了解決上述問題，相繼出現(xiàn)了LCC，LLC，LCLT等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，LLC由于具有：（1）fs可以小于fr；（2）原、副邊器件均為零壓開通和零流關(guān)斷；（3）電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高；（4）輸入電壓范圍、輸出功率范圍大；（5）原、副邊開關(guān)器件電壓應(yīng)力低；（6）針對(duì)負(fù)載變化，頻率調(diào)節(jié)范圍小等優(yōu)點(diǎn)，使其具有很高的研究和應(yīng)用價(jià)值［4］。

近年來，人們對(duì)LLC諧振變換器的理論已經(jīng)有了深入的研究，在這些理論基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)研究了諧振元件中的參數(shù)設(shè)計(jì)，給出了電感元件的磁芯選擇方法、繞組計(jì)算等。

1 LLC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及諧振參數(shù)設(shè)計(jì)要求

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 半橋LLC串聯(lián)諧振變換器拓?fù)浼肮ぷ鞑ㄐ?/p>

圖1（a）所示的變換器包含三個(gè)部分：方波產(chǎn)生、諧振部分和次級(jí)整流。直流電壓通過交替導(dǎo)通的開關(guān)管Q1和Q2來產(chǎn)生方波；諧振電容Cr、諧振電感Lr和勵(lì)磁電感Lm共同組成變換器的諧振部分；次級(jí)整流主要是通過帶中心抽頭的變壓器和二極管D1、D2以及輸出電容Co來完成的。其工作原理文獻(xiàn)［5］～［7］都有詳細(xì)介紹，本文不再贅述。

1.2 諧振參數(shù)的約束條件

（1）Lr，Lm約束條件

根據(jù)文獻(xiàn)［8］介紹，LLC變換器的增益

式中，Uo為輸出電壓；n是變壓器匝比，且n＝；λ是電感比；；fn為頻率歸一化表達(dá)式，；f s為開關(guān)頻率；fr為諧振頻率，fr＝；Q為電路品質(zhì)因數(shù)，Q＝。

根據(jù)式（1），滿足M＞0及電路能安全工作的條件要求：

①工作頻率fs可以在頻率fm＜fs＜fr及fs＞fr范圍內(nèi)工作，其中fm＝。

②當(dāng)fs＝fm時(shí)，LLC整個(gè)槽路串聯(lián)諧振引起功率開關(guān)管短路，為此，要求

③開關(guān)管Q1（Q2）能實(shí)現(xiàn)零電壓開通（ZVS）的條件是Lm中存儲(chǔ)的能量在開關(guān)器件死區(qū)期間完成對(duì)C1（C2）的充放電，即勵(lì)磁電流的峰值ILm不能太小。文獻(xiàn)［5］中規(guī)定：

（2）對(duì)Q 的限制

圖2是LLC諧振變換器工作等效電路。圖中，Roac是負(fù)載的交流等效阻抗。

圖2 LLC諧振變換器工作等效電路

根據(jù)圖2，得到輸入阻抗為：

將式（5）寫成頻率歸一比表達(dá)式：

根據(jù)前面的分析，電路工作時(shí)，Zin（jw）應(yīng)為感性，所以有：

當(dāng)Ro等于額定負(fù)載時(shí)，Q＝Qmax，fn＝fnmin，M＝Mmax，對(duì)式（1）求導(dǎo)得到：

將式（8）代入式（7）得到：

在設(shè)計(jì)中，為避免過大的諧振電流，一般要求：

（3）諧振元件的參數(shù)計(jì)算公式

設(shè)Ro＝RN時(shí)，fs＝fr，即fn＝1時(shí)，

得到：

根據(jù)式（12）計(jì)算出的參數(shù)及圖2的等效電路充放電原理，可以得到諧振電容最大電壓應(yīng)力為：

根據(jù)諧振頻率公式及λ＝Lr/Lm得到：

電感氣隙與電感量、匝數(shù)的關(guān)系為：

2 諧振電路磁性元件的設(shè)計(jì)

2.1 諧振電感Lr的設(shè)計(jì)

Lr的參數(shù)由式（14）給出，下面計(jì)算流過諧振電感Lr的電流。

（1）諧振電流

流過電感電流由兩部分組成，一是通過變壓器耦合到負(fù)載的電流（）；二是勵(lì)磁電流im。與I相m位相差90°，所以，諧振電流的峰值為：

式（17）中含勵(lì)磁電流峰值：

（2）諧振電感Lr鐵芯選擇

交流電感鐵芯的選擇主要是依據(jù)電感的儲(chǔ)能，儲(chǔ)能表達(dá)式為：

功率容量為：

2.2 變壓器的設(shè)計(jì)

上面的分析說明LLC變換器輸出變壓器與普通開關(guān)電源變換器有很大的不同，其主要表現(xiàn)在：它需要先確定勵(lì)磁電感Lm的值，由于Lm＝較小，其勵(lì)磁電流較大，容易引起變壓器初級(jí)飽和。因此，鐵芯選擇按如下步驟進(jìn)行。

（1）根據(jù)功率確定面積乘積［9］

式中，Km為線圈占空比；j和Kj都為電流密度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；Km取0.3；j取4 A/mm2；Kj取3.66A/mm2；B 取150 mT。

Pt是變壓器計(jì)算功率，輸出全波整流時(shí)，

式中，η為效率。

（2）根據(jù)Lm確定變壓器匝數(shù)

LLC變換器輸出變壓器的初級(jí)匝數(shù)不能采取常見公式

計(jì)算。而是通過電感量的計(jì)算公式（安培環(huán)路定理）確定N、Ae和le，通過變壓器電路分析得到LLC變換器設(shè)計(jì)公式為：

式中，μe為有效導(dǎo)磁率；le為磁路系數(shù)（cm）；Ae為磁芯截面積（cm2）；μe、le、Ae均可從磁性材料手冊(cè)中查出。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

輸入電壓Uin：400 V（DC）（經(jīng)PFC預(yù)穩(wěn)壓）；輸出功率Po：500 W；諧振頻率fr：40 kHz；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示的半橋LLC變換器；輸出電壓Uo：48 V。

3.2 諧振電路參數(shù)

（1）有關(guān)參數(shù)選擇

選?。篗max＝1.2，λ＝0.25，＝4.1（U為整流二d極管壓降）＝4.6（Ω）。

由式（4）得到輸入交流阻抗：

由式（8）得到：

滿足要求。

由式（9）得到：

（2）諧振元件參數(shù)計(jì)算

由式（12）得到諧振電容取Cr＝120 nF。

由式（13）得到諧振電容電壓應(yīng)力為：

選4只30 nF CBB/600 V薄膜電容并聯(lián)。

根據(jù)式（14）、（15）得到：

（3）諧振電感的設(shè)計(jì)

由式（17）、（18）、（19）得到流過諧振電感的峰值電流和有效值電流分別為：

由式（20）、（21）得到電感的功率容量為：

由于流過Lr的電流為正弦波，按式（22），選擇EE型磁芯，則α＝1.14，有：

查表選擇EE30×30×7 mm3鐵氧體磁芯，磁芯的基本有效參數(shù)為：le＝65.9 cm，Ae＝58.2 mm2。用φ＝0.44 mm漆包線5股并繞，給定氣隙lg＝0.5 mm，則電感匝數(shù)可由式（16）得到：

Nr＝＝30.16（匝），取Nr＝30匝

（4）變壓器設(shè)計(jì)

設(shè)次級(jí)全波整流，效率η2＝0.92，而且流過變壓器的為方波，由式（22）得到變壓器面積乘積：

查表選擇EE60×72×15.6 Mn－Zn鐵氧體磁芯。該鐵芯的基本參數(shù)：Ap＝19.8 cm4，Ae＝2.4 cm2，le＝16.6 cm，μe＝1 800。根據(jù)式（25）求得初級(jí)匝數(shù)：

取N1＝25匝，次級(jí)N2＝6匝。

N1的匝數(shù)小于采取公式（24）設(shè)計(jì)的匝數(shù)（75匝），在該參數(shù)下：

查 Mn－Zn鐵氧體B－H 曲線，HN＝8.74o.e時(shí)，對(duì)應(yīng)的Bm在0.2T～0.3T之間，小于Bs（Bs＝0.5 T），變壓器不會(huì)飽和，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3是根據(jù)上述參數(shù)制作的一臺(tái)LLC諧振變換器的實(shí)驗(yàn)波形。

圖3（a）是開關(guān)管Q1（Q2）上的電壓波形及驅(qū)動(dòng)電壓波形，由圖可以看出，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零壓開通（ZVS）。

圖3（b）整流二極管D1（D2）上的電流波形及驅(qū)動(dòng)電壓波形，由圖可以看出，實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷（ZCS）。

圖3（c）是fs＝0.6fr帶額定負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與Ur的波形。根據(jù)式（1）可以得到M＝1.3。

圖3（d）是fs＝fr帶額定負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與Ur波形。由式（1）可以得到M＝1，電路全諧振。

圖3 試驗(yàn)電路部分波形

5 結(jié) 論

本文從分析LLC諧振變換器的特性出發(fā)，給出了諧振元件的約束條件，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了諧振元件的詳細(xì)分析計(jì)算及參數(shù)設(shè)計(jì)，包括變壓器部分參數(shù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)設(shè)計(jì)理論研制了試驗(yàn)樣機(jī)，得到了試驗(yàn)波形。試驗(yàn)結(jié)果證明對(duì)LLC諧振變換器諧振元件和變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法是正確的。

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