基于Saber的LLC谐振变换器可行性分析

李少林，金　晶，张景明

（桂林电子科技大学机械电子工程，广西桂林541000）

基于Saber的LLC谐振变换器可行性分析

李少林，金晶，张景明

（桂林电子科技大学机械电子工程，广西桂林541000）

首先介绍了LLC谐振变换器的优越性、电路拓扑结构及其工作模式。在此基础上提出利用基波分析法对其进行建模，使用Matlab画出其直流增益曲线作为变换器参数设计的依据。最后将变换器电路在Saber仿真环境下进行闭环仿真，验证了建模方法的正确性以及实际生产中的可行性。

LLC谐振变换器；基波分析法；Saber

随着电力电子技术的飞速发展，工业生产对更高效DC/DC变换器的需求使得开关电源技术的高频化、集成化、模块化成为开关电源技术的必然发展趋势。但开关电源的高频化同样也带来了问题，变换器总的开关损耗与开关频率成正比，频率越高，损耗越大。所以，减小高频开关损耗的唯一途径就是以软开关方式工作［1］。软开关技术本质就是运用谐振原理使流过开关器件的电压、电流按正弦规律变化。LLC谐振变换器作为近几年兴起的新电路拓扑形式，与传统谐振变换器相比具有以下优势：能够在全工作范围实现零电压开通（ZVS）和零电流关断（ZCS），允许输入电压范围宽，调节时开关频率变化范围小，并且变压器二次侧没有滤波电感整，流二极管电压应力小［2］。在仿真环境的选择上，与Matlab、Pspice等仿真软件相比，Saber以其丰富专业的电气元件库和高效的仿真收敛性在电力电子方面具有独特的优势［3］。但在LLC谐振变换器研究方面，基于Saber的仿真实例并不多见，所以本文运用Saber对LLC谐振变换器的建模方法和它的优点性能进行仿真验证。

1　LLC谐振变换器电路结构及工作模式

1.1LLC谐振变换器电路结构

图1是全桥全波LLC谐振变换器的电路拓扑图［4］。功率MOS管S1-S4和它的体二极管D1-D4、寄生电容C1-C4构成了全桥逆变电路。谐振电感Lr、谐振电容Cr和励磁电感Lm构成了谐振网络。D5和D6构成了中心抽头的全波整流电路，Cf为滤波电容。

图1　全桥LLC谐振变换器模型

LLC谐振变换器工作状态中存在2个谐振频率，当励磁电感Lm被副边电压钳位时，Lm两端电压恒定，不参与谐振。定义串联谐振频率为：

当谐振电感电流iLr等于励磁电感电流iLm时，通过变压器原边绕组的电流为0，变压器原副边断开，即没有能量传递到副边。此时，励磁电感Lm不在被箝位，Lr、Cr和Lm均参与谐振，定义此谐振频率为：

1.2LLC谐振变换器工作模式

LLC谐振变换器采用频率调制工作方式，根据其开关频率所在区间，变换器工作在fs=fr、fs>fr、fmin＜fsfr时，变换器工作方式类似于串联谐振变换器，二极管无法实现ZCS.fmin＜fs

状态1:t0＜t＜t1.此区间为死区时间，当t=t0时，S2、S3上的驱动信号消失，S2、S3关断，此时谐振电流iLr在给S2、S3的寄生电容充电的同时，给S1、S4的寄生电容放电，所以S2、S3的漏-源级电压线性上升，而S1、S4的漏-源级电压线性下降；副边整流二极D1导通，D2截止。并且励磁电感Lm被副边电压箱位，只有Lr和Cr参与谐振。t=t1时，S1、S4的漏-源级电压下降到零，S2、S3上的电压升到与输入电压相等，状态1结束。

状态2：t1＜t

状态3:t2＜t

状态4：t3＜t

以上分析了半个周期内变换器的工作状态，t4＜t＜t8与前半周期工作状态类似。

2　LLC谐振变换器的建模及增益曲线分析

2.1基于FHA的等效电路建模

本文运用基波分析法（FHA）思想对LLC谐振变换器建模［6］，即假设输入到输出的能量传递基于电路中电流、电压的傅里叶级数的基波分量，即将谐振网络的波形都视为正弦波，忽略其谐波分量。为了建模的精确性，在利用FHA建模时需做如下假设：

（1）2组驱动信号占空比为50%，并且电路工作在谐振频率点；

（2）电路中所有元件均为理想元件；

（3）滤波电容Cf足够大，将输出电压纹波忽略。

2.1.1开关网络建模

由开关电路工作原理可知，输入直流电压Vin经开关电路逆变后被转化为幅值为Vin的方波电压vs（t）.将vs（t）进行傅里叶分解：

根据FHA的思想，开关网络输出电压vs（t）的基波分量vs1（t）为：

其中，Vin是输入直流的电压的幅值，ws=2πfs，fs为开关频率。

2.1.2变压器和整流滤波网络建模

对变压器原边电压vR（t）和原边电流iR（t）进行傅里叶变换：

iR（t）=IRsin（wst-θ）

式中，IR为原边输入电流iR（t）的幅值，θ为其初始相位；vR（t）作为谐振网络的输出电压，因为谐振网络是线性网络，它的输入输出信号应有相同的形式—正弦波，在建模中只有基波分量vR（t）传递能量：

综上所述，表示变压器及整流滤波电路对谐振网络负载特性的等效电阻Re可表达为：

整流网络的输出电流经Cf后，由于Cf足够大使输出电流纹波被忽略，故只有直流分量流过负载RL：

带入上式得：

由以上推导，用FHA思路以谐振网络为核心搭建的LLC谐振变换器模型如图2所示。其中开关网络输出电压vs1（t）作为输入电压源，Re表示变压器及整流滤波网络对谐振网络的负载特性。

图2　LLC谐振变换器等效电路

2.2LLC谐振变换器增益曲线分析

根据上节所建立的LLC谐振变换器等效模型，可以推导出变换器直流增益表达式：

（1）不同k值条件下电压增益随频率变化曲线；

（2）不同Q值条件下电压增益随频率曲线。

通过MaTlab工具绘制出其电压增益曲线，这样能够直观地判断LLC谐振变换器的直流增益受什么因素影响，为参数设计提供理论根据。由上节推到出的公式可知，直流电压增益与k、fn和Q有关，所以着手分析一个变量时必须将其他变量设为定值。

图3（a）为当Q和n为固定值时，不同k值所对应的直流电压增益曲线。可以观察到4条曲线从左到右都是先增后减，并且随着k值的增大，其转折频率越远离串联谐振频率fr，并且其对应最大电压增益在减小。从直流电压增益效果来看，在进行电路设计时理应将k值设置的尽可能小，但根据k=Ln/Lr，k越小意味着Lm越小，不利于电压器漏感作为谐振电感。并且励磁电感越小，通过它的励磁电流就越大，会造成损耗变大，影响传输效率。所以k值得选择需要在电路损耗和增益之间找到一个平衡点。在工程上，k值一般为2～8.

图3（b）为k和n为定值时直流电压增益关于Q的曲线。如图所示，5条曲线b变化趋势均为先增后减，并且Q越小所对应的增益曲线最大增益越大，但频率转折点越远离fr.但无论Q如何变化，增益曲线都会经过同一个点，即fr=fs处，LLC谐振变换器会产生一个独立的工作点，谐振网络阻抗为0，传输过程无损耗，电压增益恒为1.LLC谐振变换器是通过改变谐振网络输入方波电压的频率来调节输出电压，当谐振变换器工作在fr=fs附近时，即使负载变化波动很大，也可以用一个很窄的频率来进行调节。所以，Q的选取原则是再满足低压满载时最小增益的基础上取尽可能大的Q值［7］。

图3　LLC谐振变换器增益曲线

3　LLC谐振电路的Saber仿真验证

根据LLC谐振变换器参数规格选择合适的仿真原件模型，如果Saber的元件库中没有对应原件，则选择参数相近的模型替代［8-9］。本文仿真模型如表1所列。

表1　方针模型

在仿真开始前，仿真时间取5ms.由于仿真步长普遍不大于开关周期的1/200，本文仿真取9ns，截取误差为0.00001.首先需对仿真电路进行直流工作点分析，然后再进行时域瞬态分析［10］。

当输入电压vin=400V，Lr=22uH，Cr=22nF，Lm=100uH时，fr=228kHz，Re=86.6，k=4.54，Q=0.37.图4为工作频率fs=220kHz，带额定负载时变换器几个主要波形图，从上到下依次为开关管S2、S3驱动信号波形、对应开关管电压波形以及流过Lr和Lm电流。

图4　LLC谐振变换器Saber仿真波形

由图4观察可知，在开关管驱动信号到来之前，相应开关管上的电压已降至0，即开关管开通时，它两端电压为0，能够实现ZVS.已知谐振电感电流iLr与励磁电感电流iLm之差由变压器折合至副边即为流过整流二极管的电流，如上图所示，在二极管关断前，iLr和iLm波形已相交，即整流二极管关断时流过它的电流大小为0，能够实现ZCS.

4　结束语

介绍了LLC谐振变换器的电路拓扑结构，分析了几种不同的工作模式，运用基波分析法思想对变换器进行建模，并以此为基础利用Mathcad画出直流增益曲线作为参数设计的依据。在Saber仿真环境中，对变换器工作在谐振频率附近时这一最具代表性的工作状态进行仿真，仿真结果证实LLC谐振变换器同时实现ZVS和ZCS是可行的。

［1］Power Converter Design Using the Saber Simulator，Steve Chwirka Analogy［C］.2002.

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［7］Liu.T，Zhou Z.Y，Xiong A.M，Zeng.J，Ying J.P.A Novel Preeise Design Method for LLC Series Resonant Converter［C］. IEEE APEC，2006.

［8］王建秋，刘文生.Saber仿真在全桥软开关电源研发中的应用［J］.电力电子，2009，（4）：30-33.

［9］范立荣，孙丰涛，李辉.基于单相交错式并联PFC的Saber仿真应用研究［J］.通信电源技术，2014，31（1）：26-30.

［10］Saber Release Notes for Version［Z］.Z-2007.

The Feasible Analysis of LLC Resonant Converter based on Saber

LIShao-lin，JIN Jing，ZHANG Jing-min
（Collage of Mechanical and Electronical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi541000，China）

This article introduces the superiority of the LLC resonant converter，circuit topology structure and its working mode firstly.On the basis of the introduce，the model of the converter has been built on the theory of First Harmonic Approximation.Then drawing the dc gain curve which is the basis of parameter design of converter by using Matlab.Finally converter circuit is close loop simulated in Saber to demonstrate the validity of the modelingmethod and the feasibility in actual production.

LLC resonant converter；first harmonic approximation；saber

TM 4.6

A

1672-545X（2016）05-0029-04

2016-02-10

李少林（1964-），男，广西桂林人，博士，硕士生导师，副教授，高级工程师，研究方向：机电一体化装备电气控制技术，电力电子技术。