開關電源LLC諧振轉換器的優點及研究分析

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開關電源LLC諧振轉換器的優點及研究分析

隨著開關電源向高頻、高效和高功率密度方向的發展,傳統的硬開關在應用中出現了很多問題。為解決這些問題,軟開關技術應運而生。諧振型開關變換器作為軟開關的一種,具有工作頻率高、損耗小、效率高、體積小等優點。而LLC諧振型開關變換器以其兼具能夠在全負載范圍內實現原邊開關管的ZVS開通,整流二極管的ZCS關斷的特點和便于磁集成、輸入電壓范圍寬等優勢,在高頻開關領域獲得了廣泛的關注和應用。

LLC諧振轉換器的優點
llc諧振轉換器一般包含一個帶mosfet的控制器、一個諧振網絡和一個整流器網絡。控制器以50%的占空比交替為兩個mosfet提供門信號，隨負載變化而改變工作頻率，調節輸出電壓vout，這稱為脈沖頻率調制(pfm)。諧振網絡包括兩個諧振電感和一個諧振電容(l-l-c)。諧振電感 lr、lm 與諧振電容cr 主要作為一個分壓器，其阻抗隨工作頻率而變化(如式1所示)，以獲得所需的輸出電壓。在實際設計中，諧振網絡可由一個采用如圖2所示分段骨架(sectional bobbin)的集成式變壓器的磁化電感lm 與漏感llk 構成。而整流器網絡對諧振網絡產生的正弦波形進行整流，然后傳輸到輸出級。　式2給出了采用如圖2所示的實際變壓器時，llc諧振轉換器的電壓轉換比。在式2中可觀察到兩個諧振頻率。一個由lp 和 cr 決定，記為ωp，另一個由lr 和 cr決定，記為ωr。利用這個公式，可獲得llc諧振轉換器隨頻率和負載變化的增益特性曲線，見圖3所示　如圖3所示，每條曲線上以符號‘+’標注的最高值被稱為‘峰值增益’，位于兩個諧振頻率ωp 和 ωr 之間。當輸出負載越來越大時，峰值增益值逐漸減小，其位置向更高頻率移動。同時，以符號‘×’標注的ωr時的諧振增益卻是固定的，不隨輸出負載的變化而變化。增益曲線說明在 zvs狀態下，隨著諧振網絡的工作頻率增加，增益減小，輸出電壓降低。

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LLC諧振變換器的研究

伴隨著功率半導體元器件的發展，高頻化已成為一種發展趨勢，高頻變換能夠顯著減小功率變換器的體積、重量，從而有效地提高變換器的功率密度，但傳統的PWM變換器已經很難適應高頻化的發展趨勢。相比于PWM變換器，諧振變換器具有開關工作頻率高、開關損耗小、效率高、允許輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、開關應力小、EMI噪聲小等優點。并且LLC諧振變換器能在全負載范圍內實現開關管的ZVS，副邊整流二極管實現ZCS，有效降低了開關損耗，大大提高了電源效率。此外，LLC諧振變換器還可實現諧振電感和變壓器的磁集成。基于上述優點，LLC諧振變換器在現代開關電源中得到了廣泛的使用。本文首先對諧振變換器的基本分類和自的優缺點進行了總結和歸納，并與傳統的PWM變換器行了對比，總結出了LLC諧振變換器的主要優點；詳細分析了LLC諧振變換器的工作原理，對其在各個頻率范圍內的工作波形分別作了深入探討；基于FHA(基波分析法)的方法對LLC諧振變換器的穩態直流增益特性進行了詳細研究，并由此總結推導出了一種簡單的諧振參數設計方法，結合設計實例，給出了各參數計算結果；基于擴展描述函數法建立了LLC諧振變換器的小信號模型，在此基礎之上分析了開關頻率變化時變換器的小信號特性，并根據動態特性的要求對變換器的補償器設計問題進行了分析，設計了補償器的基本結構；采用磁集成技術，利用變壓器的漏感和勵磁電感，將諧振電感集成到變壓器中，減少了磁件的數量和體積；通過SABER仿真結果驗證了理論分析的正確性。

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