LLC谐振半桥DC-DC变换器的研究

摘要

高频变换是减小功率变换器体积、重量,提高变换器效率、功率密度的有效途径。从实现上来说,谐振变换器相对PWM变换器,具有开关工作频率高、开关损耗小、允许输入电压范围宽、效率高、重量轻、体积小、EMI噪声小、开关应力小等优点。而LLC谐振变换器具有原边开关管易实现全负载范围内的ZVS,次级二极管易实现ZCS,谐振电感和变压器易实现磁性元件的集成,以及输入电压范围宽等优点,因而得到了广泛的关注。LLC谐振变换器是在传统LC二阶谐振变换器的基础上增加一个并联谐振电感改进而来的,相对于普通串联、并联谐振变换器在特性上有明显改善的同时,在控制方法、参数设计上却相对复杂。目前制约其发展的一个主要困难就是工程师们对这种变换器的工作方式缺乏了解,缺少一种上手简单的设计方法。本文首先对谐振变换器的基本分类和具体工作过程进行了归纳和总结,并与传统PWM变换器进行了对比,总结出LLC谐振变换器的主要优点;详细分析了LLC谐振变换器在各个开关频率范围内的工作原理和过程,对一些文献中叙述错误和遗漏的工作状态予以了纠正和补充;基于FHA(基波分析法)的方法对LLC谐振变换器的稳态直流增益特性进行了深入的探讨,并由此总结推导出了一种简单的谐振参数设计方法,结合本课题的实际要求,给出了谐振参数的实际计算结果。最后,采用扩展描述函数法建立了LLC谐振变换器的小信号模型,在小信号模型的基础上分析了变换器在开关频率变化时的小信号特性,根据动态特性的要求设计了补偿器,对实际工程应用具有一定的指导意义。仿真结果验证了理论分析的正确性。