一种半桥串联谐振式变换器的设计与应用.docxVIP

一种半桥串联谐振式变换器的设计与应用 1 智能开关的组成 由于开关体积小、重量轻、效率高，开关越来越受到重视。开关电源作为现代电子系统不可缺少的组成部分,其开关频率正不断提高,其技术性能直接影响到各种电子设备的使用和发展。开关电源的核心部分是功率变换器。目前,隔离型变换器的拓扑结构主要有正激式、反激式、推挽式和谐振式等。其中,谐振式变换器具有效率高、输出纹波小、滤波简单、负载可调范围大等特点。 本文介绍一种半桥串联谐振变换器的工作原理及设计方法,并通过实际应用验证了该设计方法。 2 等效电路特性 LLC(谐振回路由两个电感、一个电容串联组成,Lr-Cr-Lm)谐振变换器具有许多优点,它可以进行升压和降压变换;可以对输出/输入电压比进行宽范围的调节,而频率变化很小;可以实现MOSFET开关晶体管的零电压开通和低电流关断,减小开关损耗;可以取消次级滤波电感,简化滤波电路等。 LLC谐振变换器的原理图如图1所示,它是应用于半桥电路,同时也可以应用在全桥电路中。 图1中,Lr、Cr和Lm串联组成谐振部分。这种结构具有两个谐振频率f1和f2: f1=1/(2π√LrCr)(1)f1=1/(2πLrCr????√)(1) f2=1/(2π√(Lm+Lr)Cr)(2)f2=1/(2π(Lm+Lr)Cr??????????√)(2) 式中:Lr为谐振电感;Cr为谐振电容;Lm为变压器初级电感。显然f1f2,当负载变化时,可以调节开关的频率在f1和f2之间变化,使品质因数达到最大。利用这种特性,可以很方便地实现脉冲频率模式(Pulse Frequency Model,PFM)控制方式。其品质因数表示如下: Qs=√Lr/CrRl(3)Qs=Lr/Cr√Rl(3) 式中Rl为负载电阻。 该电路对应的时域的工作波形如图2所示,从图中可以看出LLC变换器的工作在半个周期内可以分为三个工作模式,下面简要分析。 模式1(t0-t1):两个开关管(Q1、Q2)都截止,Q1的反向二级管导通续流,Lr上的电流逐渐减小,变压器产生感生电流,向负载供电。反向二极管的导通将Q1两端的电压钳位在零。其等效电路如图3 所示。 模式2(t1-t2):Lr上的电流在t1时刻减小到零,Q1在此时刻导通,Lr上的电流反向增大,达到峰值后减小。Lm上的电流先减小,然后反向增加。可以看出,t1时刻由于Q1的反向二极管的钳位作用,Q1的导通电压为零。此阶段只有Lr和Cr进行谐振。其等效电路如图4所示。 模式3(t2-t3):Lm上的电流在t2时刻与Lr上的电流相等,此时流过变压器的电流为零,负载与变压器被隔离开。Q1在时刻关断,Q2的反向二极管导通续流。此阶段Lm也加入到谐振部分,与Lr和Cr串联组成谐振回路。其等效电路如图5所示。 在下半个周期中,电路的工作与上半个周期相似,只是方向相反。整个周期的电路工作波形如图2所示。从图2中可以看出:在上半个周期中,开关管Q1为零电压导通,而Q1在t3时刻的关断电流ILm很小;在下半个周期中,开关管Q2为零电压导通,而Q2在t6时刻的关断电流ILm很小。所以Q1、Q2工作时的开关损耗很小。 3 变压器提高设计参数 设计功率变压器时要求尽量减小初级绕组和次级绕组之间的漏感,但我们在设计LLC变换器时正好可以利用初次级之间的漏感作为谐振电感Lr,所以,LLC谐振变换器在设计时要有意增加一定的漏感。电感Lm可由变压器的初级绕组提供。可见,LLC变换器的设计,主要是其中功率变压器的设计。下面以锂电池充电器使用的功率变换器来介绍该变压器的设计方法。设计的主要参数为;输入电压:380~420V(DC);输出电压:42V(DC);输出电流:1.8~2A;最低开关工作频率80kHz。 首先要确定功率变压器的磁芯。计算磁芯的结构常数Y,公式如下: Y=(Ρ2t×D2max×Ζ1.78×B2m×f2×q)0.714(4)Y=(P2t×D2max×Z1.78×B2m×f2×q)0.714(4) 式中:P1为视在功率;Dmax为最大占空比;Z为铜耗因子;Bm为工作磁感应强度;f为开关工作频率;q为单位散热表面功耗。 Ρt=Ρ0(1η+√2)=42×2×(10.85+√2)=217.6(W)(5)Pt=P0(1η+2√)=42×2×(10.85+2√)=217.6(W)(5) 式中:P0为输出功率;η为效率。 Ζ=1.96×234.5+Τ+ΔΤ234.5+ΔΤ=1.96×234.5+20+25234.5+20=2.15(6)Z=1.96×234.5+T+ΔT234.5+ΔT=1.96×234.5+20+25234.5+20=2.15(6) 式中,T为环境温度;ΔT为温升。 根据温升和环境温度,查图表可得 q=0.02 (W·cm-2) (7) 取Bm=