-
LLC
谐振全桥
DC/DC
变换器设计
摘
要：
电力电子变压器
(PET)
作为一种新型变压器除了拥有传统变压器
的功
能外，
还具备解决传统变压器价格高、体积庞大、
空载损耗严重、
控制不灵活等问
题的能力，值得
深入研究。
PET
的
DC-DC
变换器是影响工作效率和装置体积重量
的重要部分，本文以
PET
中
DC-DC
变换
器为主要研究对象，根据给出的指标，对
全桥
LLC
谐振变换器的主电路进行了详细的设计，主要有谐振参数的设计，利用
磁集
成思想，
设计磁集成变压器，
可以大大减小变换器的体积和重量
，
并在参数设
计的基础上完成器件的选型。此外，
根据给出的参数，计算出各部分损耗，
进而计
算出效
率，结果满足设计效率的要求。利用
PEmag
和
Maxwell
仿真软件设计磁集
成变压器，
验证磁集成变压器参数。
运用
Matlab/
simulink
对
PET
中的
DC-DC
变换
器模型进行仿真分析，并在实
验样机上进行实验研究，实验结果验证了
DC-DC
变
换器的理论研究和设计方法的正确性及有效性。
关键词
：
电力电子变压器；
LLC<
/p>
谐振变换器；损耗分析；磁集成变压器
中图分类号：
TD62
文献标识码：
A
文章编号：
Design of LLC resonant full bridge DC /
DC converter
Abstract:
The Power Electronic Transformer (PET)
as a new power transformer,
not only has the functions of
traditional transformers, but also has
the ability to solve the problems of traditional
power transformers that the
high
price,
huge
volume,
prodigious
no-load
loss
and
inflexible
control,
and
it
is
worth
in-depth
study.
The
DC-DC converter of PET is an important
part of affecting work efficiency, volume and
weight of the device. This
paper
studies
the
DC-DC
converter
mainly,
then
，
according
to
given
indexes,
main
circuit
of
full-bridge
LLC
resonant converter is designed in
detail, including the design of resonant
parameters. And the magnetic integrated
transformer is designed with the idea
of magnetic integration, which greatly reduces the
converter volume, and the
selection of
devices is completed on the basis of parameters
design.
In addition,
according to the given parameters,
losses
of
each
part
and
the
efficiency
are
calculated.
The
results
meet
the
efficiency
requirements
of
design.
PEmag
and
Maxwell
simulation
software
are
used
to
design
magnetic
integrated
transformer,
and
verified
the
magnetic integrated transformer
parameters.
Matlab/simulink
is used to simulate and analyze the DC-DC
converter
performance of PET. A
prototype of full-bridge LLC resonant converter is
developed and system test platform is
built according to the theoretical
research and simulation results. The correctness
and effectiveness of theoretical
research and design methods of the DC-
DC converter are verified by analyzing the
waveforms of the test.
Key
words:
power electronic
transformer; LLC resonant converter; loss
analysis; magnetic integrated
transformer
煤矿井下
存在着各种电压等级的电源
以及电气设备，供电系统十分复杂。为了满
< br>足不同电压等级的要求
[1]
，目前井下常用传
统电力变压器来进行变压和能量传递。
这种
变压
器制作工艺简单、
可靠性高，
但是其价
格高、体积庞大、空载损耗严重、控制不灵
活，而且，如果出现电压不平衡、谐波、闪<
/p>
变等现象，无法维护电力设备的正常工作
[2]
< br>。所以，现在亟待解决的问题是如何保证
电气设备在安全工作的情况下，
给用户供应
可靠稳定的电能
[3]
。电力电子变压器
(PET)
应运而生，它除了拥有
传统变压器的功能
外，
还具备解决上述难题的能力，
作为一种
新型变压器，
近年来成为国内外学者研究
的
热门问题
[4-9]
。
LLC
拓扑，作为一种双端谐
振拓扑，已经在许多<
/p>
DC/DC
功率变换方案
中得到应用，但
在
PET
上的应用尚未广泛。
本研究将
依据
LLC
全桥
DC/DC
变换器的原
理设计一款
PET
，利用
LLC
谐振变换器本
身的诸
多优势达到提高
PET
效率的目的。
1
1
LLC
谐振全桥变换器的工作原理
1.1
电路结构介绍
LLC
谐振全桥变换器主电路拓扑如图
1
所示。在工作过程中
，励磁电感
L
m
会出现
被钳位而不参与工作的情况，这就决定了
LLC
谐振变
换器会有两个不同的谐振频率，
一个是
L
m
被钳位时的频率，它由谐振电感
L
r
和谐振电容
C
r
产生，表达式为：
f
r
?
1
（
1
）
2
π
L
r
C
r
当流过
L
r
的电流与流过谐振电感
L
m
的
电流相等时，
变压器就没有能
量传输，
整流
管都会关断，
L
m
就不会被副边电压钳位而参
与谐振，此时谐振
频率与励磁电感
L
m
、谐
振电感
L
r
和谐振电容
C
r
有关，即：
f
m
?
1
（
2
）
2
π
(
L
m
?
L
r
)
C
r
MOSFET
，它是单极性器件，所以可以通过
在栅极加反偏电压的方法来降低其关
断损
耗，但是没有办法降低其开通损耗，所以
MOSFET
的开关损耗主要为开通损耗。
由于
不能实现
ZVS
，所以要避免
LLC
谐振变换
器工作在此频率范围内。
本文对此频率范
围
内变换器的工作情况不做讨论分析。
1.2.2
变换器在
f
m
<
f
s
<
f
r
时的工作情况
当变换器工作在
f
m
<
f
s
<
f
r
时，管子工作
在感性开关模式下，
它的电压相位会超前电
流相位，
当驱动信号到
来时，
其体二极管已
经导通，
把开关管
两端电压钳位为零，
这样
开关管就实现了
ZVS
。
图
2
给出了变换器在
f
m
<
f
s
<
f
< br>r
时的工作波形，
可将一个工作周期分
< br>成
8
个工作阶段。
由于后半个周
期与前半个
周期的工作过程相似，
下面只给出前半个周
期的四个工作阶段的分析如图
3
中
（
a
）
~
< br>（
d
）
所示。
< br>
V
GS
S
1,4
V
DS2,3
V
DS
i
r
i
r
/i
m
t
i
m
t
i
D
t
o
对于
LLC
谐振全桥变换器来说，可以运
行在四种工作模式下，假
设工作频率为
f
s
，它
与上面两个谐振频率的大小关系会决定变换
器工作在什么样的区域内，显然
f
s
和
f
m
、
f
r
的
关系有
f
s
≤
f
m
，
< br>f
m
<
f
s
<
f
r
，
f
s
=
f
r
，
f
s
>
f
r
四种情况。
+
S
1
V
in
S
2
-
A
D
2
C
2
S
4
T
D
1
C
1
S
3
A'
D
3
C
3
C
r
S
2,3
V
DS1,4
t
D
5
1
C
f
R
o
+
V
o
-
1
D
6
L
r
L
m
< br>n
i
D5
t
1
t
2
t
3
t
4
i
D6
t
5
t
6
t
7
t
8
t
D
4
C
4
LLC
图
1
LLC
全桥变换器原理图
+
S
1
V
in
S
2
-
< br>A
D
2
C
2
S
4
D
1
C
1
S
3
图
2
f
m
<
f
s
<
f
r
时工作波形图
T
D
3
C
3
C
r
D
5
C
< br>f
R
o
+
V
o
-
D
6
1.2
电路的工作原理
在分析之前，假设输
出滤波电容
C
f
无
限大，输出电压可认为是恒定不变的。
1.2.1
变换器在
f
s
≤
f
m
时的工作情况
变换器的谐振网络会随着开关频率的
大小不同而呈现容性或感性
阻抗的情况。
当
变换器工作在
f
s
≤
f
m
时，
就是容性开关模式情
况
[10]
，
显然管子的电压相位在这种模式下是
滞后电流相位的，
当驱动信号到来时，
其体
二极管仍然没有导通，
就不能将开关管两端
电压
钳位为零，这样开关管就不能实现
ZVS
，但当驱动信号为零时
，流过管子的电
流也为零，开关管实现了
ZCS
。由于
LLC
谐
振
变
换
器
的
逆
变
电
路
选
的
开
关
管
是
L
r
L<
/p>
m
A'
D
4
C
4
（
a
）
工作阶段
1(
t
0
~t
1
)
+
S
1
V
in
S
2
-<
/p>
A
T
D
1
C
1
S
3
A'
S
4
D
3
C
3
C
< br>r
D
5
C
f
R
o
+
V
o
-
D
6
L
r
L
m
D
2
C
2
D
4
C
4
< br>
（
b
）
工作阶段
2 (
t
1
~
t
2
)
2
+
S
1
V
in
S
2
-
A
T
D
1
C
1
S
3
A'
S
4
D
< br>3
C
3
C
r
D
5
C
f
R
o
+
V
o
-
D
6
L
r
L
m
i
r
与
i
< br>m
之间的相位角
φ
为
：
D
2
C
2
D
4
C
4
（
c
）
工作阶段
3 (
t
2
~
t
3
)
D
5<
/p>
C
f
R
o
+
V
o
-
D
6
?
?
sin
?
1
?
?
I
m
?
?
（
6
）
?
I
r
?
L
r
和
C
r
谐振时的角频率
?
r
为
：
+
S
1
V
in
S
2
-
A
T
D
1
C
1
S
3
A'
S
4
D
3
C
3
C
r
L
r
L
m
?
r
?
D
2
C
2
D
< br>4
C
4
1
（
7
）
L
r
C
r
（
d
）
工作阶段
4 (
t
3
~
t
4
)
图
3
变换器在
f
m
<
f
s
<
f<
/p>
r
时前半个周期
工作阶段
1
：
(
t
0
~
t
1
)
：
开关管
S
1
和
S
4<
/p>
的
体二极管在
t
0
之前就已经导通，所以实现了
ZVS
。由图
2
可知，谐振电流
i
r
大于励磁电流
i
m
，两者之差大于零，经过变压器流入二极管
D
5
使其导通，
D
6
< br>截止。由于输出电压的影响，
L
m
两端被副边电压钳位，此时只有
L
r
和
C
r
参
与谐
振，
i
m
线性上升，
< br>i
r
也经过开关管
S
1
、
S
4
以正弦形式慢慢变化，输入能量则通过
D
5
传
给了负载。因为
f
s<
/p>
<
f
r
，
S
1
、
S
4
会在
i
r
流经半个
周期的谐振时依旧开通。当
i
r
=
i
m
< br>时，
D
5
因没
< br>有电流流过而关断，阶段
1
结束。
阶段
1
中的
i
r
、
i
m
和整流二极管上的电流
i
d
有如下关系
：
?
i
r
?
I
r
?
sin(
?
r
t
?
?
)
?
n
?
< br>V
o
?
T
s
?
?
t
?
I
m
（
3
）
?
i
m
?
L
m
?
?
?
i
d
(
< br>t
)
?
i
r
(
t
)
?
i
m
(
t
)
式中：
n
为变压
器变比；
V
o
为负载两端电压；
T
s
为变换器的工作周期。
< br>
i
m
经历了从负的最大值增加
到正的最大
值的过程，所以有
：
I
m
?
i
r
有效值可表达为
：
nV
o
T
（
4
）
4
L
m
工作阶段<
/p>
2
：当
t
=
t
1
时，
i
r
=
i
m
，变压器
中没有能量传输，流过
D
5
的电流为零而使
其自然关断，
没有反向恢复过程，
二极管实
现
ZC
S
。因为变压器中没有能量传输，
L
m
不再被副边电压钳位，
而是与
L
r
、
C
r
共同参
与谐振，
因
L
m
>>
L
r
，
所以谐振频率远远小于
开关频率，
可以近似认为这段时间内的
i
r
波
形是一条水平直线，并对
C
r
不断充电。当
S
1
< br>、
S
4
的驱动信号为零时，阶段
2
结束。
工
作阶段
3
：
在
t
2
时刻，
S1
、
S4
的驱动
信号消失，
S
1
、
S
4
关断，进入死区时间，由
于
i
r
<
i
m<
/p>
，所以流入变压器的电流改变方向，
使得
D
6
导通，
D
5
截止，
能量通过
D
< br>6
传给负
载。
L
m
被钳位，只有
L
r
和
C
r
参与谐振。此<
/p>
阶段中
i
r
一直
给
C
1
和
C<
/p>
4
充电，并给
C
2
和
C
3
放电
，
i
r
以正弦形式减小，
i
m
线性减小，
当
C
1
和
C
4
上电压等于输入电压，
C
2
和
C
3
上电
压被放到零时，阶段
3
结束。
工作阶段
4
：在
t<
/p>
3
时刻，
D
2<
/p>
和
D
3
导通，<
/p>
i
r
不再从
C<
/p>
2
、
C
3
经过，而是通过
D
2
和
D
3
使
S<
/p>
2
、
S
3
两端电压保持为零，为
S
2
< br>、
S
3
实
现
ZVS
做好准备。此阶段内，
i<
/p>
r
仍小于
i
m<
/p>
，
i
r
以正弦形
式继续减小，
i
m
继续线性下降，
L
m
被钳位，
D<
/p>
6
导通，
D
5<
/p>
截止，能量通过变
压器传递到二次侧，并由
D
6
传递给负载。
当
S
2
、
S
3
驱动信号到来时，此阶段结束。
全桥
LLC
谐振变换器在
f
m
<
f
s
<
f
r
内工作
时的输出电压为：
?
?<
/p>
I
?
I
r
?
?
o
?
?
I
m
2
（
5
）
?
2
n
?
式中：
I
o
为变换器的
输出电流。
2
I
1
V
o
?
V
in
?
m
(
T
s
?
T
r
)
（
8
）
n
4
nC
r
1.2.3
变换器在
f
s
=
f
r
时
的工作情况
图
4
给出了变换器在
f
s
=
f
r
时的工作波形。
3
+
T<
/p>
D
1
C
1
S
1
S
3
A
S
2
D
2
C
2
S
4
A'
D
3
C
3
C
r
D
5
C
f
R
o
+
V
o
-
D
6
L
r
L
m
V
< br>GS
i
r
/i
< br>m
i
r
S
1,4
S
2,3
i
< br>m
t
t
V
in
D
4
C
4
-
（
a
）<
/p>
工作阶段
1
(
t
0
~t
1
)
+
T
D<
/p>
1
C
1
S
1
V
in
S
2
-
A
D
2
C
2
S
< br>4
S
3
A'
D
3
C
3
C
r
V
DS
i
D
t
o
D
5
C
f
R
o
+
V
o
-
D
6
V
< br>DS2,3
i
D5
t
1
t
2
t
3
V
DS1,4
t
i
D6
t
4
t
5
t
6
< br>i
D5
i
D6
< br>t
L
r
L
m
D
4
C
4
图
4
<
/p>
f
s
=
f
r
时工作波形图
（
b
）
工作阶段
2 (
t
1
~
t
2
)
+
S<
/p>
1
V
in
S
2
-
A
D
2
C
2
S
4
T
D
1
< br>C
1
S
3
A'
D
3
C
3
C
r
由图
4
可知，
一个工作周期被分为
6
个
工作阶段，
其实可以看成是变换器在
f
m
<
f
s
<
f
r
< br>内工作的一种特殊情况，
只不过它的
i
< br>r
与
i
m
在一个周期内相交只有一瞬间，
而不是一段
时间，
所以
i
r
是一个正弦波。
由于缺少了
L
m
参与谐振过程的两个阶段，
使得
D
5
和
D
6
的
电流处在临界连续状态。这个频率范围内，
开关管仍然可以实现
ZVS
，同时，
D
5
和
D
6
可以
实现
ZCS
，这里不再给出具体工作状
态。
1.2.4
变换器在
f
s
>
f
r
时的工作情况
图
5
给出了变换器在
f
s
>
f
r
时的工
作波形，
可将一个工作周期分成
6
个工
作阶段。
V
GS
S
1,4
i
r
i
r
/i
m
S
2,3
i
m
t
S
1,4
S
2,3
t
D
5
C
f
R
o
+
V
o
-
D
6
L
r
L
m
D
4
C
4
（
c
）
工作阶段
3 (
t
2
~
t
3
)
图
6
变换器在
f
s
>
f
r
时前半个周期
< br>
V
DS
V
DS2,3
V
DS1,4
t
i
D
t
o
i
D5
t
1
t
2
t
3
< br>i
D6
t
4
t
5
t
6
i
D5
i
D6
t
图
5
f
s
>
f
r
时工作波形图
下面同样只给出前半个周期的三个阶段
的分析
如图
6
中（
a
）
~
（
c
）所示。
工作阶段
1
：在
t
0
时刻，
S
1
、
S
4
导通，
由图
5
可知，谐振电
流
i
r
大于励磁电流
< br>i
m
，
两者之差大于零，经过变
压器流入二极管
D
5
使其导通，
D
6
截止。
L
m
被副边电压钳位，
此时只有
L
r
和
C
r
参与谐振，
i
m
线性上升，
i
r
也经过开关管
S
1
、
S
4
以正弦形式慢慢变化，
输入能量通过
D
5
传给负载。当
S
1
、
S
4<
/p>
驱动
信号消失，阶段
1
< br>结束。
工作阶段
2
：在
t
1
时刻，
S
1
、
S
4
关断，
由于
i
r
仍大于
i
m
，
所以
D
5
仍导通，
D
6
截止，
能量通过
D
5
传给负
载。
L
m
仍被钳位，只有
L
r
和
C
< br>r
参与谐振。此阶段中
i
r
一直给
C
1
和
C
4
充电，并给
C
2
和
C
3
放电，
i
r
以正弦
形式
减小，所以流过
D
5
的电流也变小，
i
m
仍线<
/p>
性增加，
当
C
2
和
C
3
上电压
被放到零时，
D
2
、
< br>D
3
导通，为
S
2
、
S
3
实现
ZVS
做好准备。当
S
2
、
S
3
的驱动信号来到时，阶段
2
结束。
工作阶段
3
：在
t
2
时刻，
S
2
、
S
3
实现零
电压开通。与阶段
2
类
似，只是在
t
3
时刻，
出现
i
r
=
< br>i
m
，
两者差为零，
这一瞬间
D
5
关断，
阶段
3
结束。
<
/p>
当
f
s
>
f
r
时，
管子是工作
在感性开关模式
下的，所以可以实现
ZVS
。但是
L
m
在整个
过程中都被副边电压钳位，没有参与谐振，
所以变压器的就会持续工作，
D
5
和
D
6
处于
连续导通模式，
不
能实现
ZCS
，
就会出现反
向恢复问题。
综上可知，变换器在
f
s
≤
f
< br>m
内的工作模
式为容性的，
管子
不能实现零电压开通。在
f
m
<
f
s
≤
f
r
内，
谐振网络阻抗呈现感性，
< br>不仅开
关可以实现
ZVS
，
同时整流二极管也可以实
现
ZCS
，是最佳的工作范围。而当
f
s
>
f
r
时，
< br>虽然谐振网络阻抗依然是感性，
但是整流二
极管不能实现
ZCS
，不是理想的工作范围。
所以在
设计电路的时候，
为了使变换器处在
4
理想的工作范围内，
要将工作频率选
定在接
近
f
r
处，这样才能使变换器的效率最大化。
2
LLC
全桥变换器的设计
为了适用于井下常用的电压等级，
LLC
谐振变换
器的设计满足以下设计指标：
输入电压范围：
V
in_min
~V
in_m
ax
=190~330
V
，额定输入
电压：
V
in_nom
=300
V
，预期效
率
η<
/p>
：
≥95%
，输出电压：
V
o
=48
V
，纹波电
压：
Δ
V
=240 mV
，输出电流：
I
o
=10 A
，谐振
频率
f
r
=100 kHz
，
k
值：
6
，开关管的寄生电
容
C
oss
：
400pF
；变压器绕组和
PCB
板的等
效寄生电容
C<
/p>
stary
：
100pF
，死区时间
t
d
：
300ns
。
2.1
谐振电路参数设计
根据分析，
为了满足变换器在输入电压
V
in_nom
时工作在
f
r
附近，利用此时的增益
M
nom
为
1
，可求得变压器的理论变比
m
为：
m
=
V
in_nom
?
300V
?
6.12
（
9
）
(
V
o
?
V
F
)
(48V+1V
)
质因数
Q
max1
< br>、
Q
max2
为：
Q
max1
=
1
kM
max
k
+
M
max
2
（
15
）
<
/p>
=0.29
2
M
max
?
1
Q
max
2
?
4
t
d
?
R
ac
C
ZVS
(
l
max
?
1
l
max
?
0.285
< br>?
kl
max
)
（
16
）
< br>所以整个工作范围内的最大
Q
为
Q
ZVS
?
0.95min
?
Q
< br>max1
,
Q
max2
?
?
0.27
（
17
）
式中：
k
为激磁电感与谐振电感的比值，一
l
max
为最大归一化频率。
般取
3~7
，
这里取
6
；
根据谐振特性可以求得谐振参数为：
1
C
r
?
?
40.03nF
（
18
）
<
/p>
2
π
f
r
Qn
2
R
ac
L
r
?
QR
ac
?
62.72
μ<
/p>
H
（
19
）
<
/p>
2
?
f
r
L
m
?
kL
r
=376.32
μ
H
（
20
）
<
/p>
根据原边开关管实现
ZVS
的条件可计<
/p>
算励磁电流为：
式中：
式中：
V
F
为副边二极管导通
压降，
这
里取
1V
。
等效电路的最小增益
M
min
和最大增益
M
max
为：
I
m
?
V
in_max
4
f
max
(
L
m
?
L
r
)
?
1.20A
（
21
）
<
/p>
M
min
=
m<
/p>
V
o
?
V
F
?
0.91
（
10
）
<
/p>
V
in_max
V
o
?
V
F
?
1.58
（
11
）
<
/p>
V
in_max
寄生电容的充电电流为：
I
p
?
C
ZVS
V
in_
max
t
d
=0.98A
（
22
）
<
/p>
M
max
?
m<
/p>
最小工作频率
f
min
< br>和最大工作频率
f
max
为：<
/p>
f
r
f
min
?
?
46.6
4kHz
1
（
12
）
1
?
k
(1
?
)
M
max
2
f
m
ax
?
f
r
1
1
?
k
(1<
/p>
?
)
M
min<
/p>
?
156.83kHz
（
13
）
基于一次谐波近似<
/p>
（
FHA
）
的分
析方法，
LLC
电路的等效负载阻抗为：
8
n
2
V
o
8
?
6.1
2
2
48
R
ac
=
2
=<
/p>
?
=145.87
?
（
14
）
2
?
I
o
?
10
式中：
n
为变压器理论变比。
根据最大增益的要求，
< br>谐振腔最大的品
显然
I
m
>
I
p
，符合原边开
关管实现
ZVS
的条件，设计合理。
2.2
磁集成变压器设计
LLC
谐振变换器的集成思路是：
把谐振
电感和励磁电感
集成到变压器中，
充分利用
变压器的漏感和激磁电感。但在实际
制作
中，
很难将变压器的寄生参数控制很小，尤
其在高频和超高频的场合下，
这些参数会对
运行的变压
器产生不利影响。
而用磁集成思
路来对
LLC
谐振变换器进行磁集成，正好
利用了这些很难做小的参数
，
将变压器的漏
感用作
L
r
，变压器的励磁电感用作
L
m
，这
样就把不利的因数转变为有利的条件，
而且
不用额外增加两个电感，
使得变换器的体积
大大减小。下面首先用
AP
法
[11]
确定变压器
磁芯的型号，公式如下
5
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