浅述一种改进的LLC电路在交流电源中的应用研究
摘 要:：LLC谐振电路因具有高功率密度，高效率等优点成为研究的热点，由于其输出电压不是正弦交流电，研究焦点集中在直流电压输出的LLC谐振变换器。为了在正弦交流电源中利用LLC谐振电路的优点，本文介绍一种在LLC变换器基础上改进的直流-交流变换器。首先在Saber仿真基础上论证电路能实现正弦交流输出，然后对电路进行频域分析，并提出一种能实现软开关的参数设计方法，最后根据所述方法设计电路并仿真验证理论的正确性。
关键词：LLC谐振，交流电源，Saber仿真
交流电源已广泛应用于家电制造业，电子镇流器，电机，电子制造业医疗设备等需要不同频率电压及特殊要求的场所。而LLC谐振变换电路因为能实现软开通等优良特性广泛应用于直流电压输出电路中。本文提出一种稳定工作情况下等效为LLC的直流-交流变换器。《中国信息化》杂志由新闻出版总署正式批准、中华人民共和国工业和信息化部主管主办的一本国家批准创刊的唯一一份以关注工业化与信息化融合，推进信息化进程为使命的国家级信息化媒体国公开刊物。给您提供更多的科技论文范文参考
1 电路拓扑
LLC谐振拓扑如图1所示，输入电压为直流电压，开关管S1和S2互补导通,各占50%。D1和D2分别为S1和S2体二极管。Lr，Cr和Lp构成谐振网络。
图1 LLC谐振拓扑
Fig.1 LLC resonant topology
半桥中点a的电压为幅值为Ui的方波,其表达式Ua为：
，
式中 T为开关管开关频率。
将Ua进行傅里叶变换可得到：
由于电路能通过部分高频信号，且电容Cr具有隔直作用，所以Lp两端的电压波形介于矩形波和正弦波之间。Saber仿真图如图2所示。
图2 LLC电路输出电压仿真波形
Fig.2 Output voltage waveform with LLCcircuit
在图1中，Lp两端并联电容Cp即为本文研究的电路拓扑，具体电路图如图3所示。在加入一定大小电容Cp后，由于存在LC低通滤波，电路的会几乎完全阻止高频分量的通过，加上电容Cr的隔直作用，从而使输出为正弦波。Saber仿真图如图4所示。
图3 并联电容后的电路拓扑
Fig.3 Circuit after paralleling acapacitor
图4图3所示电路输出电压仿真波形
Fig.4 Output voltage waveform with thecircuit in Fig.3
2 电路的频域分析
为了实现电路开关管能够工作在零电压导通状态论文下载，电路总阻抗须呈感性。由于在LLC电路中并联了电容，电路的阻抗特性与LLC电路有一定差别，下面对电路进行频域分析。
据图3可得电路的阻抗为：
当B>0时，电路呈感性，当B<0时，电路呈容性。但是，从上式可看出，B的值与电路中众多参数有关，很难判别电路保持感性的条件。下面对谐振电路两个主要部分(Lr和Cr的串联部分，Lp, Cp和R的并联部分)进行频域分析。
2.1Lr和Cr的串联部分的频域分析
Lr和Cr的串联部分的阻抗为：
串联谐振的频率为：
则当输入信号的频率f>fr时，串联部分电路呈感性;当输入信号的频率ffr时等效电感为：
在此频率范围，随着输入信号的频率升高，等效电感量越大，最大等效电感量为Lr，变化趋势如图5所示。而当输入信号的频率f
此时随着输入信号频率升高，等效电容量越大，最小值为Cr，变化趋势如图6所示。
图5 ω变化时串联部分等效电感(电容)曲线
Fig.5 The curve of Equivalent inductance(capacitance)of the series when ω is changing
图6 ω变化时并联部分等效电感(电容)曲线
Fig.6 The curve of Equivalent capacitance(inductance)of the parallel when ω is changing
2.2 Lp,Cp和R的并联部分频域分析
Lp,Cp和R并联部分阻抗为：
Lp,Cp并联部分阻抗为：
由(8)、(9)两式可知，Lp、Cp、R并联部分和Lp,Cp并联部分具有同样的容性和感性。并联谐振频率为：
当输入信号的频率f>fp时，Lp,Cp并联部分呈容性，等效电容为：
此时，当输入信号频率越大，等效电容量越大且最大值为Cp,变化趋势如图5所示。当输入信号频率f
此时，当输入信号频率越大，等效电感量越大且最小值为Lp，变化趋势如图6所示。
2.3电路在额定工作频率及其邻域的频域分析
选取额定工作频率f=fr，此时Lr和Cr的串联部分阻抗为零，故要使整个电路呈感性，需Lp,Cp和R并联阻抗呈感性论文下载，即有fr
下面对电路输入频率在f=fr邻域电路的阻抗特性进行分析。
在输入信号频率f< fr时，串联部分为容性，由(7)式可知，当频率越靠近fr时，等效电容量C1越大，等效阻抗为：
可得到1/ω2C1较小，即并联部分只需要较小的等效电感即可让整个电路成感性。此时并联部分阻抗为：
而此时并联部分等效电感为：
故只要L2取一个远离正无穷和不接近零的值，并联部分的等效电感量相对较大，可得整个电路在f
在fr
在f>fp时，并联部分呈容性，并联阻抗为：
由(11)式可知输入信号频率f与 fp差值越小，C2越靠近零，此时
越小，即只需串联电路有较小的等效电感，可使整个电路呈感性。由(6)式可知串联电路等效电感为：
故当L1对零保持一定裕量时，即可得在f>fp一定区间内整个电路可呈感性。且当fp-fr越大，感性区间越大。
2.4电路可能发生的谐振
由2.1和2.2分析可知，当输出信号频率f从fr持续减小的时候，开始时整个电路成感性，随着f减小，串联部分电容性增强，并联部分电感性增强，在假设输出为开路的情况下，可能出现串联部分的等效电容和并联部分的等效电感发生谐振，会给输出带来高压，此时频率为：
在已知谐振环各参数及输出为开路的情况下，总阻抗为0的方程可求出多个解，令其中离fr最近且小于fr的值为fa，则电路的最小工作频率fmin应该大于fa并保持一定裕量论文下载，以免发生谐振产生高压，或者将fa直接应用在某些需要高压的场合。
同理，当输出信号频率f从fp持续增大的时候，串联部分的等效电感和并联部分的等效电容可能发生谐振，并带来高压。大部分可用于LLC谐振变换器的芯片如L6599,MC33067,NCP1396均有软启动功能。启动时，变换器的频率从一个启动极限频率逐渐降低。令此时极限频率大于fp，则可利用该特性将电源用于镇流器等场合。令此时发生谐振的频率为fb，则：
式中C3为Cr与C2串联的电感，即：
可得频率为：
并联等效电容C2可表示为：
式中
。
令fs=fb，则芯片启动时电路能输出高压.如果不需要该电压，则需设计fs小于此时发生谐振的频率fb，且保持一定裕量。
3 正常工作时电路的输出特性
额定工作时，由于串联部分阻抗为零，输出电压可近似为半桥中点电压Ua的基波，故额定工作状态输出电压为：
则功率因素校正输出额定电压为400V时，输出电压的有效值为：
=180V
当并联部分和串联部分均呈感性的时候，即：
此时，随着频率的升高，串联部分感抗增强，并联部分感抗降低，故输出电压降低。反之，当频率减小时，输出电压升高，故此特性可以用作反馈稳压。所以可假设最高工作频率为：
注意，这里所指的最大频率不代表电路呈感性工作的最大频率。此时，电路能够通过调频来调压，电路工作时等效于LLC电路。
4 变换器参数的设计
经过上述分析，可以得到文中所述交流电源谐振元件参数设计方法流程图如图7。
图7谐振元件参数设计流程图
Fig.7 The flow diagram of the design ofthe resonant component parameter
5 电路仿真与总结
为了验证本文所述方法的正确性，本文建立交流电源基于Saber的仿真模型。电路中主要参数分别为输入电压Ui=400V，额定功率为P=200W，输出电压有效值Uo=180V，工作频率为fr=150kHz，最高工作频率fp=200kHz论文下载，启动频率fs=250kHz，谐振频率fb=300kHz，根据文中所述方法设定谐振腔各数值分别为Cr=13.2nF，Lr=84μH，Cp=8nF，Lp=80μH，fa=100kHz，最小工作频率fmin=120kHz。得到仿真如图8和图9所示。其中图8为负载为400Ω时电源的输出电压，图9为负载为800Ω的输出电压。由仿真波形可知，输出电压能达到理论目标。图10为上开关管漏源极电压Uds和S1驱动脉冲Saber仿真波形(其中驱动脉冲电压较小)，图11为放大后的电路波形，由图可知，在脉冲驱动信号发生前，Uds已经下降为体二极管导通压降，此时体二极管有向上的电流通过，即发生零电压导通。综上，该电源可以实现零电压开通和正弦交流输出，验证了所述理论的正确性。
图8负载为400Ω时电源输出电压仿真波形
Fig.8 Output voltage of the powerwaveform when the load is 400Ω
图9负载为800Ω时电源输出电压仿真波形
Fig.9 Output voltage of the powerwaveform when the load is 800Ω
图10Uds和S1驱动脉冲仿真波形
Fig.10 Uds and drive pulse of the S1 waveform
图11图10所示仿真图的放大波形