LLC谐振变换器轻载下的电压-俞珊

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1、LLC谐振变换器轻载下的电压增益失真研究报告人：俞珊福州大学至诚学院中国电源学会第二十届学术年会中国.杭州2013.11.091主要内容一、研究背景及意义二、LLC轻载运行分析及增益曲线分析三、轻载增益失真的解决对策四、实验验证五、总结2一、研究背景及意义近年来，LLC谐振变换器由于具有电路拓扑结构简单，可以在全负载范围内实现原边开关管的ZVS并可充分利用高频变压器漏感实现磁集成等优点，成为学术界、企业界的研究热点。虽然LLC谐振变换器有诸多优点，它仍存在着一些问题。谐振参数设计较难，而且调频控制较为复杂；在轻载或

2、空载时，输出电压不稳定且转换效率偏低。在这个日益珍视节能环保的时代，如何合理设计电路来改善和提高LLC的轻载性能是一个值得研究的问题点。3二、LLC轻载运行分析在某一特定负载下，LLC的输出电压增益曲线在ZVS区域随着工作频率fsw的增加而减小，如当电路100%负载工作时，随着工M作频率的增加（f1→f2），电压增M1益逐渐减小（M1→M2）。然而，M2在实际电路中经常会出现，当LLC工作于轻载高频条件时，随着开关频率fsw的进一步提高，变换器电压增益反而变大，从而使得输出电压不稳甚至直接导致过f1f2压保护的现象

3、。fsw/fr图1输出电压增益曲线4考虑分布电容的LLC电路和FHA等效模型LLC变换器可以充分利用漏感作为谐振电感。然而，设计者在设计高频变压器时，却往往只重视漏感的存在，而忽视了分布电容的影响。Cq1Dq1CpsQ1CjCrLrCrLrn:1:1D1UinNsCsCfRLUin(t)CeqLmRacCq2Dq2QCpLmNp2CjNsCsD2LkmL2(CC)rsjCCLeqp2QrnRac1ffswMn22fr112111Cn1fnQfnCeq

4、2CkffnnnCr5考虑分布电容的仿真分析1M2211211112CfQfnnnkffnn左图为：以k=5为例，通过Mathcad软件仿真得到不同Ceq时的空载增益曲线。理想情况下（Ceq=0），当LLC谐振变换器的工作频率增加，其电压增益减小，尤其当工作频率大于谐振频率fr时，电压增益的减小变得缓慢。实际情况下，由上述分析及上图可知，由于变压器和二极管寄生分布电容的存在，使得输出电压增益曲线新增加了一个谐振点，且随着分布电容Ce

5、q的增大，LLC在空载下的增益曲线失真现象越为严重。因此，分布电容的存在是LLC变换器工作在轻载或空载时出现电压失控现象的重要因素之一。6三、轻载增益失真的解决对策为了解决LLC变换器在轻载下输出电压增益曲线失真的问题，有以下四种方法加以解决。(1)降低电路中的分布电容文献[1]给出了针对LLC整流二极管存在寄生电容的解决方案。高频变压器的分布电容由变压器结构、材料以及绕组布局决定，在高频条件下不容忽视，其主要由匝间电容和层间电容组成。①对于绕线式的绕组，以双层绕组为例，有四种不同的绕法来验证其绕组分布电容的大小。

6、②对于条状铜箔的绕组，由于线圈在紧密绕制时，铜箔的宽度比匝间间距要大的多，其分布电容通常可等效为平行极板电容模型。因此，可以通过增加层间绝缘胶带或厚度，或选取较小介电常数的绝缘材料，降低分布电容，但是该方法有绝缘材料和工艺控制的限制。通过上述方法，在高频变压器设计以及绕制阶段有所注意，可以在一定程度上降低分布电容，但由于其操作复杂，并且也不能完全消除分布电容的影响。因此，需要寻找其他简单易行的方法来解决。[1]YiqingYe,ChaoYan,JianhongZeng,JianpingYing.ANovelLigh

7、tLoadSolutionforLLCSeriesResonantConverter[C].IEEEPro.INTELEC2007,Rome,Italy,2007,pp.61-65.7(2)增大电感系数k值寄生谐振频率由谐振电感Lr和寄生分布电容Ceq谐振而得。不管是减小Lr或Ceq，均可使寄生谐振频率增大。以下列举了一个LLC参数设计实例，如表1所示。表1k=4和k=10时的LLC关键参数实例k410谐振频率fsw100[kHz]谐振电感Lr156.1[μH]75.36[μH]谐振电容Cr16.2[nF]33.6

8、[nF]从表1可以得到，在相同的谐振频率和励磁电感条件下，若增大电感系数k值，其对应的谐振电感Lr降低，从而使得寄生谐振频率在空载增益曲线上向右移动。即：电路在轻载或空载工作条件下，开关频率与寄生谐振频率之间的范围变宽，从而可有效地抑制LLC谐振变换器在轻载时输出电压增大的现象。8(3)增加假负载增加假负载是抑制LLC在轻载下电压增益曲线失真最简单的方法，因