淺述一種改進的LLC電路在交流電源中的應(yīng)用研究

來源：樹人論文網(wǎng)發(fā)表時間：2013-11-01

簡要：LLC諧振電路因具有高功率密度，高效率等優(yōu)點成為研究的熱點，由于其輸出電壓不是正弦交流電，研究焦點集中在直流電壓輸出的LLC諧振變換器。為了在正弦交流電源中利用LLC諧振電路

　　摘要:：LLC諧振電路因具有高功率密度，高效率等優(yōu)點成為研究的熱點，由于其輸出電壓不是正弦交流電，研究焦點集中在直流電壓輸出的LLC諧振變換器。為了在正弦交流電源中利用LLC諧振電路的優(yōu)點，本文介紹一種在LLC變換器基礎(chǔ)上改進的直流-交流變換器。首先在Saber仿真基礎(chǔ)上論證電路能實現(xiàn)正弦交流輸出，然后對電路進行頻域分析，并提出一種能實現(xiàn)軟開關(guān)的參數(shù)設(shè)計方法，最后根據(jù)所述方法設(shè)計電路并仿真驗證理論的正確性。

　　關(guān)鍵詞：LLC諧振，交流電源，Saber仿真

　　交流電源已廣泛應(yīng)用于家電制造業(yè)，電子鎮(zhèn)流器，電機，電子制造業(yè)醫(yī)療設(shè)備等需要不同頻率電壓及特殊要求的場所。而LLC諧振變換電路因為能實現(xiàn)軟開通等優(yōu)良特性廣泛應(yīng)用于直流電壓輸出電路中。本文提出一種穩(wěn)定工作情況下等效為LLC的直流-交流變換器。《中國信息化》雜志由新聞出版總署正式批準(zhǔn)、中華人民共和國工業(yè)和信息化部主管主辦的一本國家批準(zhǔn)創(chuàng)刊的唯一一份以關(guān)注工業(yè)化與信息化融合，推進信息化進程為使命的國家級信息化媒體國公開刊物。給您提供更多的科技論文范文參考

　　1 電路拓?fù)?/p>

　　LLC諧振拓?fù)淙鐖D1所示，輸入電壓為直流電壓，開關(guān)管S1和S2互補導(dǎo)通,各占50%。D1和D2分別為S1和S2體二極管。Lr，Cr和Lp構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)。

　　圖1 LLC諧振拓?fù)?/p>

　　Fig.1 LLC resonant topology

　　半橋中點a的電壓為幅值為Ui的方波,其表達式Ua為：

　　，

　　式中 T為開關(guān)管開關(guān)頻率。

　　將Ua進行傅里葉變換可得到：

　　由于電路能通過部分高頻信號，且電容Cr具有隔直作用，所以Lp兩端的電壓波形介于矩形波和正弦波之間。Saber仿真圖如圖2所示。

　　圖2 LLC電路輸出電壓仿真波形

　　Fig.2 Output voltage waveform with LLCcircuit

　　在圖1中，Lp兩端并聯(lián)電容Cp即為本文研究的電路拓?fù)?，具體電路圖如圖3所示。在加入一定大小電容Cp后，由于存在LC低通濾波，電路的會幾乎完全阻止高頻分量的通過，加上電容Cr的隔直作用，從而使輸出為正弦波。Saber仿真圖如圖4所示。

　　圖3 并聯(lián)電容后的電路拓?fù)?/p>

　　Fig.3 Circuit after paralleling acapacitor

　　圖4圖3所示電路輸出電壓仿真波形

　　Fig.4 Output voltage waveform with thecircuit in Fig.3

　　2 電路的頻域分析

　　為了實現(xiàn)電路開關(guān)管能夠工作在零電壓導(dǎo)通狀態(tài)論文下載，電路總阻抗須呈感性。由于在LLC電路中并聯(lián)了電容，電路的阻抗特性與LLC電路有一定差別，下面對電路進行頻域分析。

　　據(jù)圖3可得電路的阻抗為：

　　當(dāng)B>0時，電路呈感性，當(dāng)B<0時，電路呈容性。但是，從上式可看出，B的值與電路中眾多參數(shù)有關(guān)，很難判別電路保持感性的條件。下面對諧振電路兩個主要部分(Lr和Cr的串聯(lián)部分，Lp, Cp和R的并聯(lián)部分)進行頻域分析。

　　2.1Lr和Cr的串聯(lián)部分的頻域分析

　　Lr和Cr的串聯(lián)部分的阻抗為：

　　串聯(lián)諧振的頻率為：

　　則當(dāng)輸入信號的頻率f>fr時，串聯(lián)部分電路呈感性;當(dāng)輸入信號的頻率ffr時等效電感為：

　　在此頻率范圍，隨著輸入信號的頻率升高，等效電感量越大，最大等效電感量為Lr，變化趨勢如圖5所示。而當(dāng)輸入信號的頻率f

　　此時隨著輸入信號頻率升高，等效電容量越大，最小值為Cr，變化趨勢如圖6所示。

　　圖5 ω變化時串聯(lián)部分等效電感(電容)曲線

　　Fig.5 The curve of Equivalent inductance(capacitance)of the series when ω is changing

　　圖6 ω變化時并聯(lián)部分等效電感(電容)曲線

　　Fig.6 The curve of Equivalent capacitance(inductance)of the parallel when ω is changing

　　2.2 Lp,Cp和R的并聯(lián)部分頻域分析

　　Lp,Cp和R并聯(lián)部分阻抗為：

　　Lp,Cp并聯(lián)部分阻抗為：

　　由(8)、(9)兩式可知，Lp、Cp、R并聯(lián)部分和Lp,Cp并聯(lián)部分具有同樣的容性和感性。并聯(lián)諧振頻率為：

　　當(dāng)輸入信號的頻率f>fp時，Lp,Cp并聯(lián)部分呈容性，等效電容為：

　　此時，當(dāng)輸入信號頻率越大，等效電容量越大且最大值為Cp,變化趨勢如圖5所示。當(dāng)輸入信號頻率f

　　此時，當(dāng)輸入信號頻率越大，等效電感量越大且最小值為Lp，變化趨勢如圖6所示。

　　2.3電路在額定工作頻率及其鄰域的頻域分析

　　選取額定工作頻率f=fr，此時Lr和Cr的串聯(lián)部分阻抗為零，故要使整個電路呈感性，需Lp,Cp和R并聯(lián)阻抗呈感性論文下載，即有fr

　　下面對電路輸入頻率在f=fr鄰域電路的阻抗特性進行分析。

　　在輸入信號頻率f< fr時，串聯(lián)部分為容性，由(7)式可知，當(dāng)頻率越靠近fr時，等效電容量C1越大，等效阻抗為：

　　可得到1/ω2C1較小，即并聯(lián)部分只需要較小的等效電感即可讓整個電路成感性。此時并聯(lián)部分阻抗為：

　　而此時并聯(lián)部分等效電感為：

　　故只要L2取一個遠離正無窮和不接近零的值，并聯(lián)部分的等效電感量相對較大，可得整個電路在f

　　在fr

　　在f>fp時，并聯(lián)部分呈容性，并聯(lián)阻抗為：

　　由(11)式可知輸入信號頻率f與 fp差值越小，C2越靠近零，此時

　　越小，即只需串聯(lián)電路有較小的等效電感，可使整個電路呈感性。由(6)式可知串聯(lián)電路等效電感為：

　　故當(dāng)L1對零保持一定裕量時，即可得在f>fp一定區(qū)間內(nèi)整個電路可呈感性。且當(dāng)fp-fr越大，感性區(qū)間越大。

　　2.4電路可能發(fā)生的諧振

　　由2.1和2.2分析可知，當(dāng)輸出信號頻率f從fr持續(xù)減小的時候，開始時整個電路成感性，隨著f減小，串聯(lián)部分電容性增強，并聯(lián)部分電感性增強，在假設(shè)輸出為開路的情況下，可能出現(xiàn)串聯(lián)部分的等效電容和并聯(lián)部分的等效電感發(fā)生諧振，會給輸出帶來高壓，此時頻率為：

　　在已知諧振環(huán)各參數(shù)及輸出為開路的情況下，總阻抗為0的方程可求出多個解，令其中離fr最近且小于fr的值為fa，則電路的最小工作頻率fmin應(yīng)該大于fa并保持一定裕量論文下載，以免發(fā)生諧振產(chǎn)生高壓，或者將fa直接應(yīng)用在某些需要高壓的場合。

　　同理，當(dāng)輸出信號頻率f從fp持續(xù)增大的時候，串聯(lián)部分的等效電感和并聯(lián)部分的等效電容可能發(fā)生諧振，并帶來高壓。大部分可用于LLC諧振變換器的芯片如L6599,MC33067,NCP1396均有軟啟動功能。啟動時，變換器的頻率從一個啟動極限頻率逐漸降低。令此時極限頻率大于fp，則可利用該特性將電源用于鎮(zhèn)流器等場合。令此時發(fā)生諧振的頻率為fb，則：

　　式中C3為Cr與C2串聯(lián)的電感，即：

　　可得頻率為：

　　并聯(lián)等效電容C2可表示為：

　　式中

　　。

　　令fs=fb，則芯片啟動時電路能輸出高壓.如果不需要該電壓，則需設(shè)計fs小于此時發(fā)生諧振的頻率fb，且保持一定裕量。

　　3 正常工作時電路的輸出特性

　　額定工作時，由于串聯(lián)部分阻抗為零，輸出電壓可近似為半橋中點電壓Ua的基波，故額定工作狀態(tài)輸出電壓為：

　　則功率因素校正輸出額定電壓為400V時，輸出電壓的有效值為：

　　=180V

　　當(dāng)并聯(lián)部分和串聯(lián)部分均呈感性的時候，即：

　　此時，隨著頻率的升高，串聯(lián)部分感抗增強，并聯(lián)部分感抗降低，故輸出電壓降低。反之，當(dāng)頻率減小時，輸出電壓升高，故此特性可以用作反饋穩(wěn)壓。所以可假設(shè)最高工作頻率為：

　　注意，這里所指的最大頻率不代表電路呈感性工作的最大頻率。此時，電路能夠通過調(diào)頻來調(diào)壓，電路工作時等效于LLC電路。

　　4 變換器參數(shù)的設(shè)計

　　經(jīng)過上述分析，可以得到文中所述交流電源諧振元件參數(shù)設(shè)計方法流程圖如圖7。

　　圖7諧振元件參數(shù)設(shè)計流程圖

　　Fig.7 The flow diagram of the design ofthe resonant component parameter

　　5 電路仿真與總結(jié)

　　為了驗證本文所述方法的正確性，本文建立交流電源基于Saber的仿真模型。電路中主要參數(shù)分別為輸入電壓Ui=400V，額定功率為P=200W，輸出電壓有效值Uo=180V，工作頻率為fr=150kHz，最高工作頻率fp=200kHz論文下載，啟動頻率fs=250kHz，諧振頻率fb=300kHz，根據(jù)文中所述方法設(shè)定諧振腔各數(shù)值分別為Cr=13.2nF，Lr=84μH，Cp=8nF，Lp=80μH，fa=100kHz，最小工作頻率fmin=120kHz。得到仿真如圖8和圖9所示。其中圖8為負(fù)載為400Ω時電源的輸出電壓，圖9為負(fù)載為800Ω的輸出電壓。由仿真波形可知，輸出電壓能達到理論目標(biāo)。圖10為上開關(guān)管漏源極電壓Uds和S1驅(qū)動脈沖Saber仿真波形(其中驅(qū)動脈沖電壓較小)，圖11為放大后的電路波形，由圖可知，在脈沖驅(qū)動信號發(fā)生前，Uds已經(jīng)下降為體二極管導(dǎo)通壓降，此時體二極管有向上的電流通過，即發(fā)生零電壓導(dǎo)通。綜上，該電源可以實現(xiàn)零電壓開通和正弦交流輸出，驗證了所述理論的正確性。