全桥LLC串联谐振DC/DC变换器的研究

冷利军

应用研究

全桥LLC串联谐振DC/DC变换器的研究

冷利军

（武汉长海高新技术有限公司，湖北武汉 430233）

针对车载充电机的DC/DC变换器电路，本文对全桥LLC串联谐振DC/DC变换器进行了研究。通过对全桥LLC串联谐振电路数学模型的搭建，基于直流增益特性曲线设计其谐振网络电路，最终通过实验样机证明LLC串联谐振变换器实现前级电路的ZVS和后级整流电路的ZCS，提升整机的效率，可达到96%。

直流增益 LLC串联谐振 ZVS ZCS

0 引言

DC/DC变换器是车载充电机重要组成单元，高频化、高功率密度和高效率是其发展趋势。传统的硬开关变换器限制了开关频率和功率密度的提高，移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器可以实现主开关的ZVS，但是滞后桥臂实现ZVS的负载范围较小；而且整流二极管存在反向恢复问题，这对二极管的反向应力和整机效率不利；输入电压较高时，变换器效率较低，因此其不适合输入电压高和有掉电维持时间限制的高性能开关电源。LLC串联谐振DC/DC变换器可以较好的解决移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器存在的缺点。本文通过建立全桥LLC串联谐振变换电路建立数学模型，基于LLC谐振变换器的增益特性曲线，提出了高效率的全桥LLC串联谐振变换器的设计方法，对比实验波形和数据对LLC串联谐振DC/DC进行研究分析，最终研制出效率为96%的6.6 kW车载充电机。

1 全桥LLC串联谐振的分析

图1 LLC DC/DC变换器拓扑结构电路

串联谐振变换器的谐振网络由谐振电感L和谐振电容C串联构成，其电路拓扑结构如图1所示。图中U为AC/DC电路的输出端，作为LLC的输入级。全桥逆变电路由MOS管Q1～ Q4组成，D1～D4与C1～C4为相应MOS管的体二极管和寄生电容；谐振网络由谐振电容C、谐振电感L（包含变压器的漏感）、励磁电感L构成；变压器复变二极管D5～D8组成全桥整流，C为滤波电容，为等效负载。

Q1～Q4采用双脉冲触发的方式，开关管Q1和Q4采用同一触发信号，Q2和Q3采用同一触发信号，且两触发信号互补导通，并且设有一定死区时间。谐振电容、谐振电感和励磁电感间存在两个谐振频率：

一是谐振电容和谐振电感形成的最大谐振频率：

二是谐振电感、励磁电感和谐振电容三者形成的谐振频率：

图2 LLC谐振变换器主要波形

2 全桥LLC谐振变换器的参数设计

LLC谐振变压器是一种实用的软开关直流变换器，本文应用于车载充电机中的LLC谐振变换器是不调压形式，采用固定频率、固定占空比和开环处理的形式。通过对LLC变换器的直流特性分析可以了解参数λ和Q对直流特性的影响，可以选择合适的频率工作点，使得效率最大化；通过对阻抗特性的分析，可以得到变换参数的设计方法。

LLC谐振电路等效电路图如图3所示，图中L为励磁电感，L为谐振电感，C为谐振电容，R为耦合到一次测的等效电阻。

图3 LLC等效电路图

由图可以求出谐振网络的传递函数为：

将上式取模。则可以得到变换器的归一化直流增益为：

图4 直流增益特性曲线

3 实验波形与分析

根据市场需求，研制6.6 kW车载充电机，AC/DC采用PFC-BOOST电路，DC/DC调压通过BUCK电路，本文主要介绍高效率的LLC串联谐振DC/DC隔离电路。

参数指标为：输入电压：220 AC；输出电压：350-450 VDC；额定输出电流：14.6 A。LLC变换器参数为：对称全桥LLC变换器开关频率为100 kHz，选用变压器匝比=2，漏感20H，作为谐振电感L，励磁电感L=320H，谐振电容C=220 nF。

图5和图6为400 VDC输入，满载输出时的测试波形，图7为不同电流等级下的效率曲线。图5为Q1（Q4）的驱动电压波形、Q1（Q4）的漏源级DS电压波形以及L电流波形。通过驱动波形和Q1（Q4）的漏源级DS端电压波形可以看出，当Q1（Q4）驱动信号到来之前时，DS端电压已经降为0 V，实现了Q1（Q4）MOS管的零电压开通，可以看出LLC谐振原边电流接近标准的正弦波形，说明LLC谐振变换器工作在谐振频率附近，在电流波形上出现一个小的平台，这是因为iLr上的电流等于iLm上的电流，此时Lr、Lm和Cr三者一起谐振。

t：5μs/格 Ch1：Q1（Q4） Ugs，10V/格；Ch2：Q1(Q4) Uds，100V/格；Ch3：Ilr，5 A/格

图6所示分别为Q1（Q4）的驱动电压波形、D5（D8）电流波形以及谐振电感L电流波形。通过L的电流波形可以看出，当由L和C谐振转为L、L和C谐振时（由正弦波转为平台时），整流桥的二极管D5 （D8）的电流降为零，当谐振电路由LL和C重新回到L和C谐振时，二极管D6 （D7）准备导通，由于在D6 （D7）导通时D5 （D8）的电流已经降为零，同样对D5（D8）导通时也存在同样的特性，所以对输出整流二极管而言不存在反向恢复问题，降低了二极管的开关应力，减小了二极管的开关损耗。

t：5Cs/格 Ch1：Q1（Q4）Ugs，10 V/格；Ch2：D5 id，10A/格；Ch3：Ilr，5 A/格

横轴：电流(A) 纵轴：效率(%)

图7为在全桥LLC串联谐振变换器回路中，输入电压400 VDC、输出电压：450 VDC，记录不同的输出电流时变换器的效率曲线。从效率曲线可以看出，在输出满载时，效率可达96%，在高压小电流时，由于结电容不能完成充放电，管子开通时会出现震荡，因此会有附加的开关损耗。

4 结论

本文主要介绍了全桥LLC串联谐振变换器工作原理及特性，通过分析谐振网络与直流增益的曲线关系，阐述谐振网络参数的最优设计思路。通过原理性分析和试验样机验证，LLC谐振电路设计思路的正确性。实验结果表明，全桥LLC串联谐振变换器拓扑结构具有优良的控制特性和高效率特性，能够在较宽的输入电压范围内达到高效率变换，非常适合宽输入电压范围内应用场合。

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Study on Full-bridge LLC Series Resonant DC/DC Converter

Leng Lijun

(Wuhan Great Sea High Technology Co.,Ltd, Wuhan 430233, China)

TM46

A

1003-4862（2021）09-0023-04

2020-12-14

冷利军（1987-），男，硕士。研究方向：电力电子与电气传动。E-mail：lenglijun007@163.com.