全桥LLC谐振变换器研究

凌雁波

摘 要：对于大功率的二次电源而言，全桥LLC谐振变换器因其具有低应力、高效率、低电磁辐射等优势特点，在目前已经成为研究领域的重点内容，但是，由于全桥LLC谐振变换器的工作特性和可靠性对负载条件以及工作频率所在的区间具有较高的敏感性，要是谐振腔参数设计不合理时，由于输入电压较低、负载由空载向满载切换过程出现容性开关的问题，甚至烧毁变换器。因此，为了有效的提高全桥LLC谐振变换器的可靠性，文章对其进行了分析研究。

关键词：全桥；LLC谐振变换器；空载特性；效率

中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）21-0005-02

在我国社会经济实现飞速发展的现阶段，电力电子技术也随之实现了较大程度发展，以功率半导体器件为核心的开关电源技术广泛应用，对于线性电源时代一直困扰人们的体积问题实现了有效解决。谐振型变换器实际上是一种软开关类型，通过对电路谐振的利用，使得开关元件在电压或电流为零时候的导通和关断，能够有效的降低开关的损耗。全桥LLC谐振变换器凭借自身所具有的高频率、高效率、高功率密度等特点在通信、电气等领域已经实现了广泛的应用。

1 全桥LLC谐振变换器工作原理

1.1 fs>f1下的变换器能量传输

当fs>f1的时候，全桥LLC谐振变换器的轻载波形，如图1所示，其在一个开关周期当中的模态过程呈对称性，因此只需要对半个开关周期内的模态进行研究，主要包括了以下六种模态。

模态1：S1与S3开始导通，谐振腔电流的相位与电压相比要相对滞后，此时的电流方向为负，且经反向流过开关管实现续流，由于受到寄生二极管的钳位作用，开关实现零电压导通。

模态2：开关管保持导通状态，谐振电流的方向未发生改变，电路经反向流过开关管，S1和S3进行续流。

模态3：谐振电流Ir呈现反向，开始经由正向流过开关管；励磁电流的方向保持不变，由励磁电感和谐振电流共同向负载进行供电。

模态4：励磁电感电流ILm的方向与励磁电流相同，电路仍在第一谐振频率的条件下进行工作；当模态结束时，谐振电流Ir与励磁电流ILm相等，继而实现零电流关断。

模态5：谐振电流Ir与励磁电流ILm呈正方向，且保持等大。

模态6：全部开关管实现关断，电路呈现死区状态，谐振电对四只开关管的寄生电容中的能量进行转移，使得谐振腔的输入电压变为-UDC，此时电流通过寄生二极管实现续流。

1.2 f2

当全桥LCC谐振变换器的工作频率满足f2

模态1：S1、S3开始导通，与电压相比较而言，谐振腔电流Ir相位要较为滞后，电流方向为负，谐振腔电流Ir反向流过S1、S3实现续流，且由励磁电感Lm提供负载端能量。

模态2：开关管保持导通状态，谐振电流Ir方向为正，S1、S3内部开始流过电流，由母线和励磁电感共同提供负载端能量，此时的谐振频率为f1。

模态3：电路在f1下进行工作，励磁电流ILm的方向为正；当该模态结束时，谐振电流减小至与励磁电流相等。

模态4：谐振电流Ir和励磁电流ILm为等大同向，变压器原端电流为0，副端整流二极管D5实现零电流关断，由输出电容Co提供负载能量。

模态5：开关管全部关断，电路呈死区状态；在谐振电流Ir的作用下，四只开关管的寄生电容开始对其中的能量进行相互转移和交换，谐振电流通过寄生二极管实现续流。

1.3 fs=f1下的变换器能量传输

fs=f1下的全桥LLC谐振变换器的轻载波形示意图，如图3所示。由于全桥LLC谐振变换器的输出特性和波形与负载条件不具有关联性，因此fs=f1下的波形与f2

2 全桥LLC谐振变换器的特性分析

2.1 频率特性

当电感归一化量K值逐渐增大的时候，全桥LCC谐振变换器的直流增益曲线就会变得越来越缓慢，输入电压和输出电压的范围也会随之变小，当输入的电压较低的情况下，输出电压就无法调节到实际需要的恒定值。

当谐振频率fr保持不变的时候，电感归一化量K会变小，励磁电感Lm也会随之减小，流经的电流会变大，这种情况会使得电感上的损耗出现较大程度的增加，对变换器的传输效率产生影响。

因此，在对K值进行选取的时候不能太大也不能太小。而且，在开关频率归一化量fn逐渐增大的情况下，全桥LLC谐振变换器的增益会出现逐渐减小的现象，当变换器处于轻载或空载的时候，为了维持输出电压的稳定性，应该适当的增加变换器的开关频率；当变换器处于重载的时候，则应该适当的减小变换器的开关频率。

2.2 频率特性

对全桥LCC谐振变换器的直流输出增益表达式进行分析，发现当变换器的开关频率f较大程度的大于谐振频率fr的时候，此时的谐振电容几乎不会起到任何的作用，且变换器的等效电路会出现一定的变化。为了保持输出的稳定性，开关频率f则会出现一定幅度的增加，在这种情况之下，变换器的直流增益也会随之逐渐趋向于一个固定值，说明其输出电压是可以进行调节的。

另一方面，当开关频率f向无穷大进行增加的时候，此时的直流增益将会变成一个常量，此时的变换器输出电压是不可调节的。

另外，在空载的状态之下，在变换器中变压器副边流经的电流几乎为零，耦合到原边的电流也会变得很小，谐振电流变小，直接导致开关管寄生电容充放电的电流变小，使得寄生电容的充放电时间边长。

2.3 短路特性

在对全桥LCC谐振变换器的工作原理进行分析研究之后，发现全桥LLC谐振变换器在短路状态进行工作的时候，其输出的电阻接近为零，此时的电路品质因数Q会接近无穷大，由此可知，在全桥LCC谐振变换器的输出电阻逐渐减小的情况下，其输出电流会逐渐增大；当工作频率与谐振频率相等（fn=1）的时候，其输出电流会达到最大值；当fn>1时，全桥LCC谐振变换器的输出电流会随着工作频率的增加而减小。

因此，在短路状态下，为了保证全桥LCC谐振变换器的运行安全，可以采取适当增加工作频率的方式对输出电流的大小实现控制。

3 结 语

综上所述，本文对全桥LLC谐振变换器的工作原理、特性和设计等方面进行了分析研究，得到以下结论：

①经全桥LLC谐振变换器的启动过程分析，得到了变换器等效启动电路，进行暂态研究后得出全桥LLC谐振变换器的安全启动频率区间为fs>f1。

②对全桥LLC谐振变换器的结构特点进行了探究，发现谐振腔中励磁电感的取值会对变换器的效率产生一定的影响，且谐振电感值与励磁电感值的比值也会对变换器的工作频率范围产生较大的影响。

③由于全桥LLC谐振变换器的工作特性，使得开关的实际损耗较小，在对其进行设计的时候，可以将同步整流电路应用到其中，能够显著的提高变换器的效率。

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