全桥LLC变换器原理及MATLAB仿真模型

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主电路拓扑

全桥LLC 谐振变换器主电路拓扑结构图。图中S1 ~ S4为功率开关管, D1 ~ D4为功率开关管的体二极管, C1 ~ C4 为功率开关管的寄生电容。谐振电感r Lr 、谐振电容Cr 、励磁电感Lm 三个谐振元件组成谐振网络。T 为功率变压器, n 为功率变压器元副边的匝数比, D 5 ~ D8 为副边整流二极管,C f 为输出滤波电容, RLd 为负载。其中, Lm 是集成在功率变压器中的励磁电感,C r 在原边回路中起到隔绝直流的作用,故又称之为隔直电容, S2 、 S4组成超前桥臂, S1 、 S3 组成滞后桥臂。

在做全桥LLC 谐振变换器在不同控制方式下的工作原理之前,为方便理论分析,对变换器元器件做出假设:(a)电路中的所有开关管、整流二极管、电容、电感及变压器均为不存在寄生参数,不会产生相互干扰的理想元器件;(b) C1= C2 = C 3= C4 ;(c)输出滤波电容 f C的容量足够大,可以近似为变换器输出电压恒定。

工作原理

移相控制是通过改变S1 ~ S4 超前桥臂与之后桥臂之间的相角差来达到调节输出电压目的的。具体实现方式为S1 , S2 分别在PWM 控制信号的上下沿时刻导通,从而使超前桥臂和滞后桥臂形成相角差,因此也称作移相PWM 控制。移相PWM 控制工作模式下,全桥LLC 谐振变换器的开关工作频率s f 等于谐振频率r f 。工作曲线如图所示:

工作模态

全桥LLC 谐振变换器在一个开关周期内有10 个工作模态,其中前半周期的工作模态与后半周期工作模态类似,可仅对前5 个工作模态加以描述:

模态1 ( t0 ~ t1 ):在进入该模态之前,S 1 开通、 S2 关断, S 4 还未开通,此段时间较短为开关死区时间,到 t 0时刻, S1 、 S4 均导通, Uab 刚上升为最大值等于Uin ,谐振电感 Lm中电流比谐振电感Lr 要小,功率变压器副边 D5 、D8 管为导通状态, Lm 两端电压被钳位等于变压器副边输出电压,其流过电流 i Lm变化率不变,线性上升,到 t1 是可到达最大值。此段时间内, Lr 与Cr 一起谐振。

模态2 ( t 1~ t 2):在1 t 时刻, S 1 关断, S4 仍处于开通状态,谐振电感Lr 给寄生电容C1 充电,给寄生电容C 3 放电。寄生电容C1 、 C3 在环路中能对 S1 、 S3 的开关起到缓冲作用,此时S1 零电压关断,副边整流二极管 D5 、 D 8依然处于导通状态。

模态3 ( t 2~ t 3 ):在 t2 时刻,寄生电容 C3 的电压刚好下降为零, S3 零电压开通, S 4 依旧处于导通状态, Uab 为零,谐振电感 L r中的电流仍然比 L m中的电流大,复变二极管 D5 、 D8 仍然继续导通, i Lm继续线性增大,但是由于a、b 两点处在零状态不能给谐振网络提供能量,所以 L r中的电流逐渐减小用以提过能量给副边负载。

模态4 ( t3 ~ t4 ):在t3 时刻,i Lr 等于 i Lm, L m 中的能量不足以维持副边电压稳定,i p 下降为零。副边D5 、 D 8管中的电流亦同时下降为零并反向截止,均实现ZCS关断。此段工作过程中输出滤波电容提供负载能量, Lr 、Lm 和Cr 一起参加谐振。

模态5 ( t4 ~ t5 ):在 t4 时刻,功率开关管S4 关断,谐振电感 L r中的电流给寄生电容 C4充电,同时寄生电容C2 在回路中放电,C 2 、C4 在回路中起到的缓冲作用,使S4 实现近似的零电压关断。

模型主体

输入电压311V,谐振频率100kHz,输出电压50V,额定电流20A。

输出波形

参考文献

移相变频控制全桥LLC谐振变换器研究_蔡光祥

PFM半桥LLC谐振变换器研究_黄亮

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