LLC轻载下电压增益失真与数字化Burst方案的研究.docx

中国电工技术学会电力电子学会第十四届学术年会LLC轻载下电压增益失真与数字化Burst方案的研究俞珊1福州大学至诚学院，福州350002徐志望2董纪清31)2)福建睿能科技股份有限公司，福州3500023)福州大学电气工程与自动化学院，福州3501081)shanfzu@2)aswan1940@3)dongjiqing@摘 要 本文详细分析寄生分布电容对LLC变换器输出电压增益的影响，并通过建模仿真揭示了轻载下变换器电压增益失真机理。在分析比较已知方案的基础上，本文提出一种新颖的数字化滞环Burst控制方案，并给出了详细的控制流程图。 最后，本文通过一台LLC变换器数字控制样机，验证了该方案在改善LLC变换器电气性能的同时，进一步提升轻载变换效 率。关键词 LLC，分布电容，增益失真，数字化控制，滞环Burst控制1．引言近年来，LLC谐振变换器由于具有电路拓扑简单， 可以实现全负载范围内原边开关管的ZVS、部分负载 范围内副边二极管的ZCS，并可充分利用高频变压器漏感实现磁集成等优点，成为业界的研究热点。虽然LLC谐振变换器有诸多优点，但仍存在许多问题，如谐振参数设计困难，且变频控制复杂；在轻载或空载 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，如何通过电路参数的优化设计来改善和提高LLC的电气性能是一个值得深入研究的课 题。本文从LLC变换器的谐振电感电流波形出发，分当t=t0时，桥臂下管Q2关断，谐振电流ir从负值开始上升，副边整流二极管D1处于导通状态。变压器 励磁电感Lm被输出电压Uo箝位，因此，在t0~t1期间， 只有Lr和Cr参与谐振，直至谐振电感电流ir和励磁电 流im相等时，该工作模态结束。当t=t1时，谐振电感电流ir与励磁电流im相等， 没有能量传递到变压器副边，整流二极管D1电流下降至零，从而实现了零电流关断。t1~t2期间的谐振电感 电流ir波形上叠加了一个高频谐振分量，如图2 虚框Q1n:1:1D1CrLr对考虑分布电容的LLC变换器进行基波近似法（FHA）建模分析，得到新的输出电压增益表达式，并通过仿真得到电压增益曲线，从而揭示了轻载下LLC变换器电压增益失真机理。在综合分析比较已有方案，并对多种Burst控制策略进行进一步分析研究的基础上，本 文采用一种新颖的数字化滞环Burst控制方案，详细论 述了控制流程图，并给出了一台240WLLC谐振变换 器原理样机的试验结果。UinNsCfRLLmNpQ2NsD2图1 半桥LLC谐振变换器电路拓扑ugs2ir2．LLC轻载增益失真现象半桥LLC谐振变换器电路拓扑，如图1所示。其 谐振腔由谐振电感Lr、励磁电感Lm以及谐振电容Cr构成。图2 给出了半桥LLC谐振变换器在开关频率fs小于谐振频率fr时的工作波形图。其中，ugs2为LLC谐振变换器的下管Q2驱动电压波形，ir为谐振电流波 形。高频分量谐振现象t0t1t2图2 开关管Q2的驱动电压ugs2 和谐振电流ir波形图（ugs2：10V/divir：2A/divtime：5μs）福建省教育厅科技基金项目（资助号：JA14356）270中国电工技术学会电力电子学会第十四届学术年会所示。该谐振现象是由励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr和寄生电容Ceq谐振形成的。考虑寄生电容 的LLC谐振变换器电路，如图3(a)所示。其中，变换器的寄生电容Ceq主要由高频变压器的 分布电容（包括Cp、Cs和Cps）以及次级整流二极管 的结电容Cj构成。Cp、Cs分别为变压器初级绕组、次级绕组的分布电容，代表变压器初级、次级绕组内部存储的电场能量；Cps为变压器初级与次级之间的分布 电容，反映了两者之间的电场耦合能力[1]。通常，在高频变压器初级和次级设有屏蔽层之后， 可以忽略初级与次级之间的分布电容Cps的影响。对考 虑分布电容的LLC谐振变换器进行FHA分析，其等 效电路如图3(b)所示。从变压器次级侧反射到初级侧 的等效分布电容参数Ceq可近似为：fsCeqCrL?L m，Q?r，f?，。其中，k?C?nnfrLrRack为电感系数，Q为负载品质因数，fn为归一化频率，Rac为等效负载。为了分析研究分布电容 Ceq对输出电压增益的影响，本文通过一个仿真实例进行说明。根据经验参数， 等效电容Ceq一般为皮法数量级，假设Ceq为500pF， 谐振电容Cr为30nF，电感系数k为5，谐振频率fr为 105kHz，通过Mathcad软件，得到不同负载品质因数Q 下的增益曲线如图4所示。为了验证图4曲线的合理性，通过Saber仿真软 件对图3所示的等效电路进行小信号仿真分析，得到如图5 所示的输出电压增益曲线。由图4、图5的输出电压增益曲线可知，由于电C?CsjC?C(1)eqpn2推导出考