现代LLC谐振变换器的设计

文/何杜

就LLC谐振变换器具有的高效率、便于磁集成、低EMI等特点进行分析，将其应用到现代电力电子设备中，且两相或者多相LLC-SRC交错并联技术的应用，能够在一定程度上提高电源功率等级，但是还需要解决并联造成的负载不均流问题。通过设计争取应用简单并联结构，消除以往应用中存在的问题，使其可以更高程度上满足电源产品应用需求。

1　LLC谐振变换器特点

就现代电力电子设备生产应用现状来看，可选择的谐振变换器种类较多，包括串联谐振变换器、并联谐振变换器以及串并联谐振变换器，而相比上述三种以外，LLC谐振变换器具有更多特殊性能，在应用上也具有更大优势。LLC谐振变压器融合了传统串联与并联谐振变换器的技术优势，在具有串联谐振变换器谐振电容隔直作用的同时，还可以促使谐振槽路电流随负载变化，且具有并联谐振变换器对滤波电容电流脉动要求低、空载条件下运行的优点，将其应用到电力电子设备中性能更为优良。在LLC谐振变换器内，变压器励磁电感Lm为关键元件，在特定条件下，励磁电感会参与到变换器谐振过程中去，相比来讲其工作原理更为复杂。但是在实际应用中技术优势也比较明显，例如全负载范围内可实现ZVS，且MOSFET关断电流更小，产生的关断损耗较小；次级取消滤波电感，大幅度上降低了整流二极管电压应力；可用于较大输入电压以及负载变化范围，能够有效调节电压；更容易集成磁性器件，谐振电感与变压器集成到一个磁芯上所面对的难度更小。并且可以实现次级高频整流二极管的ZCS，将二极管反向恢复过程进行了消除，不仅可以提高运行效率，同时还能够降低电源EMI干扰。正是因为LLC谐振变换器具有的各技术优势，使其在近年来得到了广泛应用，逐渐成为开关电源研究的重点对象。

2　LLC谐振变换器设计优化

2.1　两相LLC谐振变换器并联负载均流特性

对于传统的两相LLC谐振变换器直接并联方式来讲，两个并联模块输入电压以及输出负载处于共用状态，其余部分则保持独立运行。对负载均流特性进行分析，首先需要对LLC谐振变换器增益特性进行简单分析，可选择通过基波分析法对LLC谐振变换器等效模型进行分析，得到电压增益M表达式：

其中，fn=fa/fr，

根据公式可以得到输出阻抗表达式：

输出电阻Rout表示每路LLC所分配的功率，其为谐振参数Lr、Lm、Cr以及增益M的函数。两相LLC写着变换器直接并联结构，基于两个模块输入电压与输出电压相同，可判断其增益相同。但是在实际应用中，并不能完全控制两组谐振槽元件参数一致，由上述公式可知，Zo与λ无法完全相等，便可确定每路LLC功率分配存在一定差异，尤其是恶劣因素影响下，很有可能会造成输出功率由其中一路完全承受，最终造成电源被损坏。

对负载均流特性以及操作频率间关系进行分析，选择的两路谐振槽应控制保持一定差异，确定第一路LLC变换器谐振槽为理论计算值，第二路则留出一定裕量，可得到关系式：

按照公式进行计算，可确定在频率不断变化的情况下，M≠1时随着频率增加，输出负载差异先减小后增大；M=1时，随着频率增大输出负载会减小。面对传统两路并联结构来讲，需要加入额外电流控制环，来避免两路负载的不平衡，但是额外电流控制环的应用会增加控制回路复杂性。如果采取优化谐振槽参数与输出阻抗的方法来减小纹波，会影响到均流效果。

2.2　两相LLC谐振变换器交错并联

基于传统两相LLC谐振变换器并联方式存在的不足，提出全新的交错并联方法，将输入端改用为两个电容串联分压处理，然后将其分别输入到两个模块中，以此来保证两路LLC谐振变换器输出电压相等，而输入电压不同，在谐振参数不同情况下能够达到两路负载自动均流的效果。输入分压电容的电压瞬时值表达式为：

其中：

经过此种设计后，两路谐振槽参数并不相同，使得谐振阻抗Z1(s)与Z2(s)不同，进而两路增益也存在较大差异。假如其中一路被分配较大功率，则其前端分压电容抽取的功率就比较大，对应的分压电容电压便会降低，增益增大，进而间Rout增大，促使这一路分配的功率减小。最终电容C1与电容C2电压会随着上下路LLC所抽取功率大小来进行自动调节，实现两路负载的平衡。

3　结束语

LLC谐振变换器在电力电子设备中应用，对比传统的串联或并联谐振变换器具有更大优势，但是就实际情况来看，在设计上还存在一定问题，还需要对其进行优化。本文从理论上对传统两路LLC谐振变换器直接并联设计方案中，功率分配不均衡问题进行了简单分析，提出一种全新的并联结构形式，争取达到自动均流效果，提高LLC变换器在实际应用中的综合效果。