半桥电流馈入型LLC变换器的补偿电路设计

2015-01-03韩文祥王春芳

电源学报 2015年1期

关键词：波特谐振增益

韩文祥，王春芳

（青岛大学自动化工程学院，青岛266071）

半桥电流馈入型LLC变换器的补偿电路设计

韩文祥，王春芳

（青岛大学自动化工程学院，青岛266071）

由于半桥电流馈入型LLC谐振变换器的工作过程相当复杂，很难建立准确的小信号模型，也无法设计相应的补偿电路。基于Saber仿真软件，利用时域仿真的方法获得电路的波特图，即可进行补偿电路的设计。制作了一款适用于单板光伏电池逆变器用半桥电流馈入型LLC变换器，通过仿真和实验，验证了补偿环节和设计方法的正确性。

电流馈入；LLC变换器；补偿电路；零电流关断

引言

传统LLC谐振变换器以其高效率、高功率密度等优点，成为近几年研究的热门拓扑［1-2］。文献［3-4］提出了一种可以实现零电流关断的新型半桥电流馈入型LLC变换器，该变换器适用于输入低压大电流的场合，如单板光伏电池等，具有较高的效率，最高可达95.95%，但目前对该变换器的研究尚处于起步阶段。为实现变换器的稳态指标及动态指标，一般需要引入闭环控制环节。LLC谐振变换器工作过程复杂，现有的建模方法［5-6］也很复杂，且很难建立准确的小信号模型。针对新型半桥电流馈入型LLC变换器的建模方法更是无人研究，文献［7］提出了一种简化的LLC谐振变换器小信号分析方法。

本文在参考文献［7］的基础上，基于Saber仿真软件，利用时域仿真的方法，获得了半桥电流馈入型LLC变换器的波特图，从而进行了补偿电路的设计。

1 半桥电流馈入型LLC变换器的原理

半桥电流馈入型LLC变换器如图1所示。该变换器由3部分组成，第Ⅰ部分是采用电流馈入型半桥结构的电流源发生器，将方波电流馈入到谐振网络中；第Ⅱ部分是由2个电感Lr、Lp和1个电容Cp构成的多谐振回路，该LLC多谐振回路存在2个谐振点，当开关管Q1、Q2同时导通时，电感Lr、Lp和电容Cp共同参与的谐振帮助开关管实现零电流关断；当开关管只有1个导通时，电感Lp和电容Cp参与的并联谐振为变换器提供较高的电压增益，可以减小变压器所需的变比；第Ⅲ部分是采用全桥整流电路整流部分，可以在整流二极管导通期间将谐振电容Cp的电压嵌位至输出电压，使得其不能无限制升高，大大减小了谐振网络的损耗。

图1 半桥电流馈入型LLC变换器Fig.1 Half bridge current-fed LLC converter

为实现开关管的零电流关断，2个开关管存在同时导通的时间即每个开关管的占空比必须大于0.5。图2为用Saber仿真软件仿真的半桥电流馈入型LLC变换器的波形。开关管Q2在电流接近零时关断，实现了零电流关断。流过Lr的电流波形同时体现了2个开关管零电流关断过程。

图2 流过开关管Q2及电感Lr的电流波形Fig.2 Current flowing through Q2and Lr

图3 电压增益曲线Fig.3 Voltage gain curves

图3为不同负载（即不同QL值）情况下的电压增益曲线。由曲线可知，该变换器可通过谐振获得较高的电压增益，且在一定范围内频率越高，增益越大。实际应用中，为获得足够的电压增益，该电路一般工作在大于谐振频率的区域。

2 时域仿真分析及补偿设计

本文基于Saber仿真软件对电路进行小信号分析。图4为利用Saber仿真软件对半桥电流馈入型LLC变换器进行开环小信号仿真的电路模型。该小信号仿真电路模型使用了Saber中的环路扫描仪，即图4中右下角仪器，它能够向环路中注入频率可变的正弦波信号，通过测试反馈信号，获得两者之间的增益和相位关系，即波特图。同时，因为半桥电流馈入型LLC变换器是PFM调制模式，需要加入压控振荡器来实现电路的变频控制。而压控振荡器依据输入电压的大小来改变输出正弦波的频率，当正弦波与一个常数比较时，可得频率变化、占空比不变的驱动波形，以此来控制开关管的导通。

图5所示为半桥电流馈入型LLC变换器在23 V输入、350 V输出、开关频率41.5 kHz且大于谐振频率情况下，控制量开关频率对输出电压的波特图。由波特图可知，穿越频率大于20 kHz，穿越频率表征系统响应的快速性能，其值越大，系统的快速性能越好。但对于开关调节系统，过高的穿越频率可能导致高频开关频率及其谐波和寄生振荡引起的高频分量得不到有效抑制，而使系统无法稳定工作，一般取穿越频率小于1/6的开关频率，一般的开关电源对于动态响应要求并不十分苛刻，为了保证稳定性能，通常穿越频率都小于1/10的开关频率。低频段斜率太小，系统型别低，会导致系统的开环增益较小，稳态误差较大。

图4 开环半桥电流馈入型LLC变换器小信号仿真电路模型Fig.4 Small signal simulation model of open loop half bridge current-fed LLC converter

图5 开环半桥电流馈入型LLC变换器波特图Fig.5 Bode plot of open loop half bridge current-fed LLC converter

为了减小稳态误差，提高系统型别，低频段需要加-20 dB的补偿；为了提高系统稳定性，需要减小穿越频率，把穿越频率补偿到1/10的开关频率左右；为了抑制高频干扰信号，高频段幅频特性需要迅速衰减，也附加-20 dB的补偿。针对以上分析，本文采用单零点双极点补偿电路，补偿电路和波特图如图6所示。

图6 单零点双极点补偿电路及其波特图Fig.6 Bipolar single zero compensation circuit and bode plot

则单零点双极点补偿电路对应的传递函数为

3 仿真与实验

用Saber仿真软件对补偿后的电路进行了仿真验证。负载突变时输出电压波形如图8所示。在负载突变的瞬间电压下降，但很快便又稳定到350 V左右。

图7 补偿后系统的波特图Fig.7 Bode plot of system after compensation

图8 负载突变时输出电压Fig.8 Output voltage with load step change

本文制作了一个输入23 V、输出350 V，功率200 W的变换器，其谐振电路参数如下：Lr＝6 μH，Lp＝260 μH，Cp＝68 nF，其中Lp为变压器的励磁电感，采用DSPIC30F2020作为控制芯片。半桥电流馈入型LLC变换器输出电压波形如图9所示。由图9（a）可见，该开环电压波形存在较大的超调量，达到了70%。对上述补偿环节的传递函数进行双线性变换，可得到适用于单片机编程的公式。基于DSPIC30F2020，为变换器加上了补偿环节，补偿后闭环半桥电流馈入型LLC变换器输出电压波形见图9（b）。由图9（b）可见，电压快速稳定到350 V且没有超调量。

图9 半桥电流馈入型LLC变换器的输出电压波形Fig.9 Output voltage waveform of half bridge current-fed LLC converter

4 结语

本文分析了半桥电流馈入型LLC变换器的工作原理，基于Saber仿真软件，利用时域仿真的方法获得了电路的波特图，并进行了补偿电路的设计。仿真及实验结果表明：通过软件时域仿真为半桥电流馈入型LLC变换器设计补偿环节，其方法简单、可行且结果准确，可应用于该类变换器的实际设计过程。

［1］徐勤超，王春芳，李从洋.LLC谐振式磁控管供电电源的研究［J］.电力电子技术，2010，44（010）：106-108.Xu Qinchao，Wang Chunfang，Li Congyang.Research on LLC resonant power supply for driving a magnetron［J］.Power Electronics，2010，44（10）：106-108（in Chinese）.

［2］王春芳，张志勇，朱世盘.基于LLC谐振变换器的微波炉用高压变频电源［J］.电工电能新技术，2013，32（3）：101-104.Wang Chunfang，Zhang Zhiyong，Zhu Shipan.High voltage frequency—variable power source for microwave oven based on LLC resonant converter［J］.Advanced Technologyof Electrical Engineering and Energy，2013，32（3）：101-104（in Chinese）.

［3］Yuan Bo，Yang Xu，Li Donghao.A high efficiency current fed multi-resonant converter for high step-up power conversion in renewable energy harvesting［C］.Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE），2010 IEEE.IEEE，2010：2637-2641.

［4］Li Donghao，Liu Bo，Yang Xu，et al.A high step-up current fed multi-resonant converter with output voltage doubler［C］.Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC），2011 Twenty-sixth Annual IEEE.IEEE，2011：2020-2026.

［5］Yang B，Lee F C.Small-signal analysis for LLC resonant converter.In CPES Seminar，2003，7：144-149.

［6］Chang C H，Chang E C，Cheng C A，et al.Small signal modeling of LLC resonant converters based on extended describing function.In Computer，Consumer and Control（IS3C）［C］.2012 International Symposium on，（365-368）.IEEE.

［7］梁昊，张军明.一种简化的LLC谐振变换器小信号分析方法［J］.电力电子技术，2011，45（10）：71-72.Liang Hao，Zhang Junming.A simplified small-signal analysis method for LLC series resonant converter［J］.Power Electronics，2011，45（10）：71-72（in Chinese）.

Design of Compensation Circuits for Half Bridge Current Fed LLC Converter

HAN Wenxiang，WANG Chunfang
（School of Automation Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China）

For the complicated work procedure of half bridge current-fed LLC converter，it’s difficult to establish an accurate small signal model and to design compensation circuits.Based on Saber simulation software，bode plot was obtained through time-domain simulation method in the article.Compensation circuits were designed.A half bridge current-fed LLC converter suit to signal photovoltaic inverter was built.The simulation and experimental results verify the correctness of the compensation circuits and design methods.

current-fed；LLC converter；compensation circuits；zero current switch（ZCS）