姜龍飛，張展望

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

一種全橋雙諧振CLL諧振變換器的分析與設(shè)計(jì)

姜龍飛，張展望

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

提出一種全橋雙諧振CLL諧振DC-DC變換器拓?fù)?。該變換器有兩個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，共用一個(gè)變壓器。該諧振變換器能在全負(fù)載范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓導(dǎo)通ZVS（zero voltage switching）和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷ZCS（zero current switching），變換器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗低，同時(shí)消除了二極管的反向恢復(fù)損耗，實(shí)現(xiàn)較高效率，適用于分布式電源系統(tǒng)中的直直變換模塊。采用基波分析FHA（fundamental harmonic approximation）方法對(duì)該諧振變換器進(jìn)行分析，得到了該變換器的直流增益特性。最后，制作了一臺(tái)200 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

CLL諧振變換器；零電壓開(kāi)關(guān)；雙諧振；環(huán)流損耗

分布式電源系統(tǒng)DPS（distributed power system）具有干擾小、損耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)中，其中全橋變換器在其前端變換器結(jié)構(gòu)的后級(jí)DC/DC模塊中被廣泛采用。全橋零電壓開(kāi)關(guān)變換器FBZVS（full-bridge zero voltage switching converter）具有零電壓導(dǎo)通、高效率、高功率密度、電壓應(yīng)力適中等優(yōu)點(diǎn)，成為目前全橋變換器的研究熱點(diǎn)之一。

目前常見(jiàn)的全橋零電壓開(kāi)關(guān)變換器主要有兩種：脈寬調(diào)制全橋零電壓開(kāi)關(guān)變換器和全橋LLC諧振變換器。脈寬調(diào)制全橋零電壓開(kāi)關(guān)變換器的主要缺點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，變壓器漏感上存儲(chǔ)的能量不足以使開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容完成充放電，導(dǎo)致滯后橋臂開(kāi)關(guān)管的零電壓導(dǎo)通ZVS（zero voltage switching）丟失。因此，能使其在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS導(dǎo)通，就顯得尤為重要。解決以上問(wèn)題的方法主要有：①利用變壓器的漏感［1，2］或者串聯(lián)一個(gè)電感，漏感或串聯(lián)電感越大，ZVS范圍越寬，占空比丟失越嚴(yán)重，變壓器匝比越小，原邊反饋電流越大，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗越大；漏感與二極管結(jié)電容諧振，引起嚴(yán)重的寄生震蕩，增大了開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。②添加飽和電感［3］代替漏感，ZVS范圍增大，解決了占空比丟失問(wèn)題，減小了開(kāi)關(guān)管和整流二極管的電壓應(yīng)力，減小了副邊的寄生震蕩和開(kāi)關(guān)噪聲，但是變換器體積顯著增大。③外加輔助變壓器［6,7］，利用變壓器勵(lì)磁電感上的能量能夠使變換器在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，但是增加了1個(gè)變壓器和2個(gè)開(kāi)關(guān)管，增大了變換器的體積。④添加耦合電感［8］，增大了ZVS范圍，環(huán)流損耗低。⑤添加1個(gè)變壓器和1個(gè)耦合電感［9］，使變換器能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，但增大了滿(mǎn)載損耗。⑥添加輔助電路［10］，能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS,但是電路復(fù)雜且增大了環(huán)流損耗。全橋LLC諧振變換器［11］能在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管ZVS和副邊整流二極管零電流關(guān)斷ZCS（zero current switching），但是變換器的環(huán)流損耗不隨負(fù)載減輕而明顯減少，使輕載效率低。

因此，為了解決這些問(wèn)題，本文提出了一種全橋雙諧振CLL諧振變換器。該變換器能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓導(dǎo)通和副邊整流二極管零電流關(guān)斷，開(kāi)關(guān)損耗低，效率高，環(huán)流損耗低。

1 工作原理分析

圖1為全橋雙諧振CLL諧振變換器。開(kāi)關(guān)管S1、S2、S3、S4組成全橋結(jié)構(gòu)，諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電容Cs1、Cs2和諧振電感Ls、L1、L2組成，副邊采用中心抽頭式整流輸出，Co為輸出濾波電容，Ro為等效負(fù)載。開(kāi)關(guān)管S1、S3被同一占空比為0.5的脈沖驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)管S2、S4和S1、S3互補(bǔ)導(dǎo)通。為了分析變換器的工作模態(tài)，作如下假設(shè)：

（1）輸出電容Co足夠大，可以當(dāng)成電壓源；

（2）開(kāi)關(guān)管S1、S2、S3、S4有相同寄生電容，即

（3）諧振電容Cs1和Cs2相同，即Cs1=Cs2=Cs；

（4）諧振電感L1和L2相同，即L1=L2=L。

圖1 全橋雙諧振CLL諧振變換器Fig.1 Full-bridge CLL resonant converter with double resonant tanks

如圖2所示為全橋雙諧振CLL諧振變換器的主要工作波形。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，變換器存在8個(gè)工作模態(tài)。全效諧波CLL諧振變換器等效電路如圖3所示。

模態(tài)1［t0～t1］：在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S1、S3零電壓導(dǎo)通，副邊整流二極管D1繼續(xù)導(dǎo)通。電容Cs1、Cs2和電感Ls、L1、L2共同參與諧振，并向負(fù)載傳遞能量；t1時(shí)刻，iCs1（t1）=iL1（t1），iCs2（t1）=iL2（t1），模態(tài)1結(jié)束。模態(tài)1的等效電路如圖3（a）所示。

模態(tài)2［t1～t2］：在t1時(shí)刻，iLs（t1）=0，副邊整流二極管D1零電流關(guān)斷。電容Cs1和電感L1諧振,電容CS2和電感L2諧振,諧振網(wǎng)絡(luò)不向負(fù)載傳遞能量，負(fù)載所需能量?jī)H由輸出電容Co提供。t2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S1、S3關(guān)斷，模態(tài)2結(jié)束。模態(tài)2的等效電路如圖3（b）所示。

模態(tài)3［t2～t3］：在t2時(shí)刻，S1、S3關(guān)斷，電流iCs1大于0，S1的寄生電容 COSS1充電，S2的寄生電容 COSS2放電;電流iCs2小于 0，S3的寄生電容 COSS3充電，S4的寄生電容COSS4放電。電容Cs1和電感L1諧振;電容Cs2和電感L2參與諧振,諧振網(wǎng)絡(luò)不向負(fù)載傳遞能量，負(fù)載所需能量?jī)H由輸出電容Co提供。在t3時(shí)刻，電容COSS1、COSS3兩端的電壓上升到Vo,電容COSS2、COSS4兩端的電壓下降到0，S2、S4的體二極管正向?qū)?。模態(tài)3的等效電路如圖3（c）所示。

模態(tài)4［t3～t4］：在t3時(shí)刻，S2、S4的體二極管正向?qū)?，使S2、S4兩端的電壓保持為0，為S2、S4的ZVS導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。電容CS1和電感LS1、L1共同參與諧振；電容CS2和電感LS2、L2共同參與諧振，并向負(fù)載傳遞能量，整流二極管D2導(dǎo)通。在t4時(shí)刻，S2、S4零電壓導(dǎo)通。模態(tài)4的等效電路如圖3（d）所示。

由該變換器的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，模態(tài)5～模態(tài)8的工作過(guò)程與模態(tài)1～模態(tài)4相似，在此不再贅述。

圖2 全橋雙諧振CLL諧振變換器的關(guān)鍵工作波形Fig.2 Key waveforms of the full-bridge CLL resonant converter

圖3 全橋雙諧振CLL諧振變換器的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of the full-bridge CLL resonant converter

2 分析與設(shè)計(jì)

2.1 直流增益特性

該變換器是通過(guò)電容 CS1、CS2和電感Ls、L1、L2諧振將能量從輸入端傳輸?shù)捷敵龆恕Ｒ虼?，諧振腔內(nèi)的所有電流都近似正弦，見(jiàn)圖2。為了得到該變換器的直流增益特性，可以采用基波近似FHA（fundamental harmonic approximation）法。根據(jù)FHA，變換器的交流等效電路如圖4所示。圖中，Rac是負(fù)載Ro折算到變壓器原邊側(cè)的交流等效阻抗，可表示為

圖4 變換器交流等效電路Fig.4 AC equivalent circuit for the discussed converter

設(shè)系數(shù)k為電感L與電感Ls的2倍之比，即

則變換器的特征頻率f為

設(shè)fs為開(kāi)關(guān)頻率，則開(kāi)關(guān)頻率與頻率f之比f(wàn)n為

則品質(zhì)因數(shù)為

Vab是圖4輸入電壓的基波分量，表示為

利用疊加原理可知，變換器的直流增益等于圖4（b）和圖4（c）中的直流增益之和，利用FHA方法,可得到圖4（b）和圖4（c）的直流增益為

則變換器的直流增益為

變換器的增益曲線如圖5所示。其工作區(qū)域被分為ZCS區(qū)域、ZVS1區(qū)域、ZVS2區(qū)域。 一般情況，希望變換器工作在ZVS1區(qū)域，使其能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS和副邊整流二極管的ZCS，減少開(kāi)關(guān)損耗，提高效率。

圖5 變換器的增益曲線Fig.5 Gain curves of the converter

當(dāng)變換器工作在fs=fn時(shí)，諧振回路的阻抗最小，損耗最低。因此，將變換器的滿(mǎn)載工作頻率設(shè)計(jì)為頻率fs=fn。由式（8）知，此時(shí)直流電壓增益與負(fù)載無(wú)關(guān)，為

在ZCS區(qū)域，變換器工作在容性區(qū)間，開(kāi)關(guān)管硬關(guān)斷，開(kāi)關(guān)損耗大，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免變換器工作在該區(qū)域。在ZVS1區(qū)域，電感LS工作在電流斷續(xù)模式，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管ZVS和副邊整流二極管ZCS，避免反向恢復(fù)，一般設(shè)計(jì)變換器使其在全負(fù)載范圍內(nèi)，工作在該區(qū)域內(nèi)。在ZVS2區(qū)域，電感LS工作在電流連續(xù)模式，開(kāi)關(guān)管可實(shí)現(xiàn)ZVS導(dǎo)通，而副邊整流二極管不能實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷，存在反向恢復(fù)問(wèn)題。

2.2 開(kāi)關(guān)管的ZVS實(shí)現(xiàn)條件

為了提高變換器的效率，通常情況下使變換器工作于ZVS區(qū)域。圖4中諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗為

式中，（Rac/2+sLs/2）//sL表示阻抗（Rac+sLs）/2與阻抗sL并聯(lián)。對(duì)輸入阻抗進(jìn)行歸一化處理，得

要實(shí)現(xiàn)MOSFET的零電壓開(kāi)通，需要使諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入電流滯后于輸入電壓，即要求諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗呈感性。在式（11）中，令歸一化阻抗Zn的虛部為0，此時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)為純阻性，即為輸入阻抗呈現(xiàn)感性或容性的邊界條件。整理可得邊界條件下的歸一化頻率為

保持諧振網(wǎng)絡(luò)呈感性的情況下，諧振變換器在不同頻率下電壓增益的最大值為

在諧振變換器設(shè)計(jì)中，為了使其在全負(fù)載范圍內(nèi)工作在ZVS區(qū)域，需始終滿(mǎn)足fn＞fnZ，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常針對(duì)最壞情況下來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)頻率的限制范圍。在以上的分析中忽略了開(kāi)關(guān)管死區(qū)時(shí)間和開(kāi)關(guān)管寄生電容對(duì)變換器的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)結(jié)果，制作了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主要參數(shù)為：輸入電壓Vin為直流電壓200～280 V，額定輸出電壓Vo為36 V，額定負(fù)載Ro為7.2 Ω,諧振頻率f2=100 kHz，諧振電容Cs1=Cs2=71 nF,諧振電感Ls=37 μH，諧振電感L1=L2=670 μH，變壓器匝比為8:1。

該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主要實(shí)驗(yàn)波形如圖6～圖9所示。圖6給出了100%負(fù)載、輸入電壓280 V時(shí)流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1與副邊二極管D1的電流波形；圖7給出了10%負(fù)載、輸入電壓280 V時(shí)流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1與副邊二極管D1的電流波形；圖8給出了100%負(fù)載、輸入電壓200 V時(shí)流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1與副邊二極管D1的電流波形；圖9給出了10%負(fù)載，輸入電壓200 V時(shí)流過(guò)開(kāi)關(guān)管S1與副邊二極管D1的電流波形。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，變換器在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的ZVS和整流二極管的ZCS。

通過(guò)相關(guān)的軟件對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到了全橋雙諧振CLL諧振變換器的效率曲線，如圖10所示。由圖可見(jiàn)，輸入電壓280 V、100%負(fù)載時(shí)，變換器的效率最大約為96%；輸入電壓280 V、10%負(fù)載時(shí)，變換器的效率也較高，約為90.5%；輸入電壓200 V、100%負(fù)載時(shí)，變換器的效率高，約為96%；輸入電壓200 V、10%負(fù)載時(shí)，變換器的效率也能取得約為88%的效率。輸入電壓減小時(shí)，變換器的效率略有降低，但變換器在寬輸入范圍內(nèi)都取得了較高的效率。

圖6 100%負(fù)載、輸入電壓280 V時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms when Vin=280 V and 100% load

圖7 10%負(fù)載、輸入電壓280 V時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms when Vin=280 V and 10% load

圖8 100%負(fù)載、輸入電壓200 V時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms when Vin=200 V and 100% load

圖9 10%負(fù)載、輸入電壓200 V時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms when Vin=200 V and 10% load

圖10 全橋雙諧振CLL諧振變換器的效率曲線Fig.10 Efficiency curves of full-bridge CLL resonant converter of double resonant tanks

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種全橋雙諧振CLL諧振變換器，分析了其工作原理，并對(duì)其軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)條件進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其適合于寬范圍輸入的應(yīng)用場(chǎng)合，并且能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的ZVS與副邊整流二極管的ZCS，降低了開(kāi)關(guān)損耗，具有較高的效率。

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Analysis and Design of a Full-bridge CLL Resonant Converter with Double Resonant Tanks

JIANG Longfei,ZHANG Zhanwang
（School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China）

In this paper,a full-bridge CLL resonant converter with double resonant tanks is presented.The converter is consisted of double resonant tanks,sharing a transformer.This topology can achieve zero-voltage switching（ZVS）and zero-current switching（ZCS）for output rectifier from zero load to full load,and the switching loss of transistor switching is low.The reverse recovery losses of rectified diode is eliminated so that the higher efficiency is achieved. These make the converter particularly suitable in DC/DC module of distributed power supply system.To obtain the dc characteristic of the converter,the fundamental harmonic approximation（FHA）is adopted.and finally a prototype 200 W full-bridge CLL resonant converter with double resonant tanks is designed and built to verify the proposed design method.

CLL resonant converter;zero voltage switching;double resonant tanks;circulating current loss

姜龍飛（1989-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，電力電子調(diào)制與控制技術(shù)等，E-mail：pecel_lfjiang@ 163.com。

姜龍飛

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.92

：TM46

：A

2015-10-27

張展望（1986-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子調(diào)制與控制技術(shù)，多智能體控制在微電網(wǎng)的應(yīng)用等，E-mail：keetsky@163.com。