基于磁集成的LLC谐振变换器设计

康亚东，尹　斌，　孙维广，　李尹泉(河海大学能源与电气学院，江苏 南京210098)

基于磁集成的LLC谐振变换器设计

康亚东，尹斌，孙维广，李尹泉
(河海大学能源与电气学院，江苏 南京210098)

介绍了LLC型谐振变换器的主电路结构和工作原理，给出了基于最优转换效率的LLC谐振变换器谐振网络参数的详细设计过程，并应用无源集成技术，将谐振参数及变压器集成在同一个磁芯上，通过对比磁性元件集成通用结构，推导出磁集成的改进结构。设计了一台工作频率80 kHz、功率为440 W的变换器，通过仿真软件Saber验证了参数设计的合理性，实验结果验证了设计方法的可行性和有效性。

LLC；磁集成；参数设计

相对于传统硬开关PWM变换器，采用软开关技术的LLC谐振变换器有很多优点，而且LLC谐振变换器具有原边开关管易实现全负载范围内的零电压开关(ZVS)，次级二极管易实现零电流开关(ZCS)。但是软开关变换器随着工作频率的提高，开关损耗也在增大，在减小开关损耗的同时，由于增加了谐振电感会使变换器的体积和质量增加，通态损耗也相应增加。所以基于最优效率优化的参数设计越来越重要，同时谐振电感和变压器易实现磁性元件的集成，为解决此问题可以采用磁集成技术将变换器中多个分立的磁件集成在一起，可以有效地减小磁件数量和变换器的体积和质量。有关LLC谐振变换器的设计方法已有研究[1]，关于参数效率优化及采用磁集成技术[2-3]的研究越来越受到人们的重视。

1 拓扑结构原理分析与参数设计

半桥式LLC谐振变换器的主电路拓扑结构和交流等效电路如图1所示，变压器等效模型如图1(a)虚线框谐振网络内结构所示，LLC谐振变换器可以工作在三种工作模式，当工作在谐振频率时，谐振电流近似为正弦波。在一个周期内，谐振电流对Lm进行充放电，励磁电感电流近似为三角波。忽略开关管死区时间，通过交替驱动占空比均为50％的功率管，使方

其有效值为：

式中：f为开关频率。

考虑到变压器匝比n=Np/Ns，折算到初级的等效负载电阻为：

最后得到LLC谐振变换器的交流等效图，如图1(b)所示。

图1　变换器主电路及交流等效电路

令：

则：

输出电压Vo与Vs1的比值为：

式中：k=Lm/Lr。

由式(6)得到增益模量M的波形如图2所示，由图可见所有增益曲线均经过点 (1,1)，即在谐振频率f=fr增益为1，LLC增益特性几乎独立于负载。LLC谐振变换器的输入输出电压增益M随频率变化而变化。随着负载增大(即QL值减小)，特性曲线峰值所对应的频率逐渐增大。从图中可以看出，当QL=2或更大时，增益曲线上依然有较高的谐振峰值和较好的选择性，因此可以实现空载运行。在谐振频率f=fr处即时，增益恒为1，独立于负载。此时负载的变化范围理论上可以从空载到满载变化，而且效率最高且输出电压保持恒定不变。利用这一特性，本文设计固定开关频率的半桥式LLC谐振变换器电路。

图2　LLC电压增益特性曲线

变换器损耗[4-5]为：其中，效率为：

由式(7)可看出效率随QL变化，得到效率随负载变化的关系。当负载从轻载变化到满载时即QL从0变化到5，电路谐振频率不变，效率可达93％以上。

由式(4)、(5)、(6)推导出变换器谐振参数与开关频率和负载大小的关系式为：

2 变压器磁集成设计

文献[6]提出了一种EE型磁芯四绕组集成的通用结构，这里采用标准的EE型磁芯，在两个侧柱上各有一个绕组，磁芯的各个磁柱上开气隙且侧柱气隙小于中柱气隙，构成稳定的集成结构。

与磁集成通用结构对比，通过类比可得到变压器磁路等效电路如图3所示。

图3　LLC变换器的磁路等效电路

通过对LLC谐振变换器的工作过程分析可知，变压器具有两种工作模式：(1)并联谐振电感不参与谐振，变压器向副边传递能量，此时并联谐振电感被输出电压钳位；(2)并联谐振电感参与谐振，此时变压器不向副边传递能量，如图4所示。

图4　变换器的工作模式等效电路

分析以上两种工作模式可得如下关系：

最终得到等效电路如图5所示。

3 设计实例与仿真

根据上述方法设计一个2 A/220 V(440 W)输出的半桥式LLC谐振变换器。输入电压为540 V(500～600 V)，谐振频率设为80 kHz。根据最大最小增益和传输效率综合考虑选取：K=Lm/Lr=5，变压器匝数比：n=Np/Ns=Vin·nom/2(Vo+VD)=1.22，实际选取匝数比为22/18，谐振网络参数由式(9)、式(10)求得：Lm=265.491 1 μH，Cr=74.538 4 nF，Lr=53.098 2 μH，通过标称电容组合实际选取为：Cr=74.5 nF，Lr=53.13 μH，Lm=265.65 μH。变压器设计采用AP法[6]选择EE55的铁氧体磁芯，令L1=L2，可以得到以下方程：N1=24，N2=18。

采用电源仿真软件Saber对LLC半桥式谐振变换器满载和空载进行仿真，由图6可以看出，从空载到满载原边开关管实现了ZVS，次级二极管实现了ZCS。

图5　磁集成等效电路

图6　LLC谐振变换器满载和空载时的波形

额定输入电压下样机的实验波形如图7、图8、图9所示。

由实验波形可以看出，无论轻载还是满载，电路中主开关管的软开关特性良好，电路的主要电流、电压波形与理论分析一致，而且输出电压基本稳定在220 V附近，达到了设计要求，证实了本文设计方法的有效性。

LLC样机在额定输出电压下由实测数据绘制的负载特性曲线如图10所示。可以看出LLC谐振变换器的效率随着输出电流的增大而逐渐提高，在满载时效率达到最高。当变换器工作在轻载情况下，依然有较高的效率。在输入电压及输出负载范围内，实际测得变换器效率达到93％以上。

图7　满载和空载时Q1的Vgs和Vds波形(横轴5 μs/格，Vgs纵轴50 V/格，Vds纵轴10 V/格)

图8　　额定输入时Cr电压波形(横轴5 μs/格，纵轴50 V/格)

图9　　半载时变压器原边电压波形(横轴5 μs/格，纵轴50 V/格)

图10　额定输出电压时效率负载特性曲线

4 结论

本文基于最优转换效率描述了半桥LLC谐振变换器的模型，推导出LLC谐振变换器参数优化设计流程，并采用磁集成技术依据本文参数公式设计了一款半桥LLC谐振变换器，有效减少了器件的数量。该变换器工作在谐振频率，可实现ZVS 和ZCS，最高转换效率达到95％，证明了该设计方案的有效性和实用性。

[1]LU B，LIU W D，LIANG Y，et al．Optimal design methodology for LLC resonant converter[C]//Proceedings of Annual Applied Power Electronics Conference.Dallas，USA:Annual Applied Power Electronics Conference,2006．

[2]邢勇.LLC谐振变换器中平面无源集成结构的改进[D].葫芦岛：辽宁工程技术大学，2011.

[3]陈乾宏.开关电源中磁集成技术的应用研究[D].南京：南京航空航天大学，2001.

[4]王镇道，赵亚魁，章兢，等.LLC半桥式谐振变换器参数模型与设计[J].电工技术学报，2012，12(12):53-54．

[5] 马皓，祈丰.一种改进的LLC变换器谐振网络参数设计方法[J].中国电机工程报,2008,28(33):6-11.

[6]YANG B,CHEN R G,LEE F C.Integrated magnetic for LLC resonant converter[J].IEEE,2002(5):346-351.

Design of LLC resonant converter based on magnetic integration

KANG Ya-dong,YIN Bin,SUN Wei-guang,LI Yin-quan
(College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing Jiangsu 210098,China)

Introduction was made to the structure of main circuit and the working principle of the LLC resonant converter.A detailed resonant network parameters design process for LLC resonant converter was given on the basis of the best conversion efficiency.And passive integration technology was applied to integrated its resonant parameters and transformer on the same core.By contrast with the general structure of Integrated Magnetics,the integrated magnetic structure was derived.Making use of the introduced design method,a 440W converter working 80kHz was designed,the rationality of design was validated by simulation software-Saber.The correctness and effectiveness of the design flow were verified.

LLC;magnetic integration;parameter design

TM 46

A

1002-087 X(2016)01-0195-04

2015-06-12

康亚东(1987—)，男，山东省人，硕士研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动。波发生器产生方波电压Vs，那么谐振电路的输入信号为0～Vs的方波。方波发生器桥臂中点的电压在前半个周期0～T/2时为Vin，在后半个周期T/2～T时为0。则谐振网络端输入方波电压Vs的基波分量可描述为：