浅析宽电压输入半桥型LLC谐振变换器设计与实验

此处设计的变换器参数为：额定功率100 W，最大效率大于90％。最大输入电压Uimax=400 V，最小输入电压Uimin=250 V，输出电压Uo=36 V。相对应的最大和最小Gdc分别为0．144和0．086。n=Uimax／(2Uo)=5．833≈6。合理设计Q，K，取fr=200kHz，使其在n=6的情况下满足Gdc要求。

当Q=0．4，K=3时，Gdc与fs关系如图3所示。当变换器工作频率为fm时，Gdc为最大值0．149；当变换器工作频率为fr时，Gdc为最小值0．84。因此，当输入电压从250 V变化到420 V时，fs保持在fm和fr之间，可实现初级开关管的ZVS及次级二极管的ZCS，从而满足设计要求。可求得各谐振器件参数值为Re=8n2RL／π2，Lr=QRe／(2πfr)=120．4μH，Cr=Lr／(QRe)2=5 261 pF，Lm=KLr=361．1μH。

3 实验结果

根据以上参数，制作一台100W半桥LLC谐振变换器样机，以L6599为控制芯片，分别给出不同负载时变换器主要元件工作波形及效率曲线。

图4a，b分别示出输入250 V，400 V的主要工作波形。其中iLr为谐振槽支路电流，uab为初级桥输入电压。当输入电压发生变化时，工作频率fs发生相应变化，Uo稳定于36 V。iLr波形滞后于uab波形。可见，开关管可实现零电压开通。

图5a，b分别示出输入250 V，400 V的次级两个整流二极管电流波形。当Uin增大时，fs升高，iVD1和iVD2的最大值变小，在一个周期内导通时间增加。当iVD1减小为零时，iVD2尚未导通，iVD1实现零电流关断；当iVD2减小为零时，iVD1尚未导通，iVD2实现零电流关断。变换器实现零电流关断。

该变换器中，fs的变化影响着Gdc的变化。通过图3可得到不同fs对应的Gdc，得到在不同输入电压条件下的工作频率。图6示出实验得到相应的fs变化曲线，可见，实验值与理论值基本吻合，变换器工作于设定工作频率范围内。4 损耗分析

对于小功率变换器，损耗对其效率的影响较大。通过合理的参数设计，LLC谐振变换器可方便地实现主开关管的ZVS及次级二极管的ZC S，极大地减小变换器损耗。在其他损耗方面主要源于变压器和谐振电感的铜损和磁损，开关管的关断损耗和驱动损耗，整流二极管的导通损耗。通过分析与计算可得，满载输出时的总损耗为10．9 W，变换器满载时工作效率约为90．2％。

图7a为满载损耗比例，可得在输出电流较小的小功率变换器中，变压器损耗所占比例最大。其中主要为铜损，可通过改进绕制工艺尽可能减小变压器铜损。其次为整流二极管导通损耗，可通过同步整流来减小带来的损耗。图7b为输入电压350 V的效率η曲线。该变换器最高效率为93．95％，达到预期目标。在250～400 V输入电压工作范围内，满载时η>90％，与理论计算一致。

5 结论

此处设计的半桥LLC谐振电路适用于宽电压输入环境，通过脉冲频率调制，使得变换器工作频率不再受到限制，有效地减小了变换器体积。对于小功率电源，元器件损耗会严重影响到整机效率。通过合理设计，该变换器可很好地实现软开关，从而提升电路工作效率。

此处在分析变换器工作原理基础上，分析了各关键参数对变换器性能的影响，并设计出一台100 W实验样机进行研究。由实验结果可见，该变换器可很好地实现软开关，样机工作效率达到93．95％，达到了预期设计目的。