２０１６年６月 照明工程学报 ＺＨＡ０ＭＩＮＧ Ｇ０ＮＧＣＨＥＮＧ ＸＵＥＢＡＯ Ｊｕｎ． ２０１６ 第２７卷第３期 ＶｏｌＪ ２７ ＮＯ．３ ＬＬＣ半桥谐振变换器参数优化设计与实现 叶 湖 ，周唯逸 ，贾文超 ，姜明伟。 （１．国网浙江乐清市供电公司，浙江乐清３２５６００；２．长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春１３００６１） １３００１２； ３．中国建设银行股份有限公司吉林省分行，吉林长春摘 要：ＬＬＣ半桥谐振变换器的高效率、高功率密度使其广泛应用于ＬＥＤ光源驱动器。通过对其工作原理、特性 及谐振网络传输效率的分析，归纳出一种简易的参数设计方法。最后，用该方法设计了具有９０％变换效率的 １００ｋＨｚ、１２０Ｗ的ＬＬＣ半桥谐振电路，实验结果证实了此设计方法的可行性。 关键词：零电压启动；参数优化设计；ＬＥＤ驱动器 中图分类号：ＴＭ９２３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４Ｍ４０Ｘ．２０１６．０３．０１６ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＬＬＣ Ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ＹＥ Ｈｕ ，ＺＨＯＵ Ｗｅｉｙｉ ，ＪＩＡ Ｗｅｎｃｈａｏ ，ＪＩＡＮＧ Ｍｉｎｇｗｅｉ。 （１．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｙｕｅｑｉｎｇ，Ｙｕｅｑｉｎｇ ３２５６００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｊｉｌｉｎ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｂａｎｋ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００６１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ ＬＬＣ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｏｎｖｅｌ￣ｅｒ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｔｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｗｅ ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ｔｈｅ ＬＬＣ ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ １００ｋＨｚ ａｎｄ １２０Ｗ ｗｉｔｈ ９０％ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｃｏｎｆｉｒｍ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＺＶＳ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ＬＥＤ ｄｒｉｖｅ 的参数设计方法，并通过一个１００ｋＨｚ、１２０Ｗ的 引言 在设计ＬＥＤ驱动电源时，对于谐振变换电路要 求做到效率高、功率密度大及低损耗，这就要求合 理的选择谐振变换器。在诸多的谐振变换电路中， ＬＬＣ半桥谐振变换电路能在宽范围的输入电压内实 现高效的Ｄｃ—ＤＣ转换¨ ，使其在ＬＥＤ驱动器的开 发中得到了广泛的关注。本文通过对ＬＬＣ谐振变换 ＬＬＣ谐振变换器的设计实例进行了验证。 １ ＬＬＣ谐振变换器原理分析 如图１所示，两个开关ＭＯＳ管ＶＱ。和ＶＱ：构 成了半桥电路，它们的驱动信号互补，电感 、电 容ｃ 以及励磁电感 构成电路的ＬＬＣ谐振网络。 变压器副边侧的二极管ＶＤ 、ＶＤ：、ＶＤ，和ＶＤ 组 成整流电路。因为存在着 、ｃ 、 三个元件，所 器的原理和不同参数的特性分析，归纳出一种适用 基金项目：吉林省科技支撑重大项目（２０１０６０３４） ７６ 照明工程学报 ２０１６年６月 以此谐振电路出现了两个谐振频率，如下 １ ＝—— （１） ２ Ｌｌｃ １ ＝—— ＝ ＝＝＝＝ （２） ２订￣／（ ＋Ｌ ）Ｃ 式（Ｉ）为串联谐振电容与电感谐振所产生的 频率，即串联谐振频率；式（２）为串联电感加上 并联电感与串联电容谐振所产生的频率，即串并联 谐振频率。ＬＬＣ半桥谐振变换器能够在５个不同频 率间工作，即高于 、直接在 点、 和 之间 （变压器输入阻抗呈感性的情况）、 和 之间（变 压器输入阻抗呈容性的情况）、低于 。 ）｝ｖＶＱＪ 鞋堪 ＿．—厂 Ｉ — ｌ １Ｌ －ｊｌ ｊ 图１ ＬＬＣ半桥谐振变换器 Ｆｉｇ．１ ＬＬＣ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｖｅｄｅｒ 下面通过对开关频率 介于 和厂ｍ之间的电路 研究，来了解变换器谐振电路中的软开关技术。其 软开关特性过程为：①主开关ＭＯＳ管的零电压开 通。当ＶＱ：关断，谐振电感 的电流ｉ 通过ｃ，放 电，直至Ｃ 放电满足ＶＤ 导通所需的正向偏置电 压时，电流将通过ＶＤ 这时ＶＱ 的零电压开通已 经通过ｃ 的放电做好了准备；②次级整流二极管零 电流关断与导通。当ｉ 振荡等于激磁电感￡ 的电 流ｉ 时，因为ＶＤ 、ＶＤ 电流已经下降到零自然关 断。此后当 、ｃ 和 形成共振，变压器初级向 次级传递能量将被停止，负载的供电由输出电容ｃ 提供，直到ＭＯＳ管ＶＱ 关断，ｃ 开始放电，感应 电动势在变压器中变化的磁通中产生，使得ＶＤ：和 ＶＤ 导通，能量传递继续进行，实现了二极管零电 流导通。 ２ ＬＬＣ谐振变换器的参数设计 ２．１谐振网络的电压增益和输入阻抗 如图２所示，当工作频率等于谐振频率时，交流 谐振电路等效为一个纯电阻负载电路，该电路是由一 个正弦功率输入驱动。那么该电路传输功率可以用电 压、电流的傅立叶展开式中的基频分量来分析。 。 Ｒ 图２ ＬＬＣ的简化等效电路 Ｆｉｇ．２ ＬＬＣ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ 谐振电路的输入电压ｕ 的其基波分量表达式为 Ｕ （￡）：三 ｓｉｎ（２ ） （３） 在实际的电路中，整流电路的输入电压为一方 波，其幅值为 ，电压、电流同相位。可得出该方 波电压的基波分量表达式为 Ｕｒ１（ｔ）＝二Ｕ。ｓｉｎ（２￣ｒｆ，ｔ一 ） （４） 同样可得整流电流基波分量的表达式为 ， 。（ｔ）＝ ，ｓｉｎ（２ ｔ一 ） （５） 整流电路输出电流的平均电流Ｊ 可表示为 ｌ ＩＲｌ ｓｉｎ（２ ｄ ＝ （６） 由于Ｕ 与，Ｔ 是同相的，因此输出侧阻抗为阻 性，可表示为 ＝ ８Ｒ （７） 将输出侧电压、电阻等效到初级侧可得等效电 路，由于变压器匝比为Ⅳ：１：１，所以可得等效后的电 阻表达式为 ：Ⅳ：Ｒ：。。。Ⅳ （８） 从图２中可以看出，电压增益可以等效成谐振 电路输出与输入阻抗的比值，即 Ｍ Ｉ＝ （９） 谐振网络的品质因数、电感系数、归一化频率 分别为 Ｑ＝ ＝ ＝ Ｌ（１１） ＝ （１２） 】ｌ 式（９）可以用式（１０）、式（１１）及式（１２） 第２７卷第３期 叶湖等：ＬＬＣ半桥谐振变换器参数优化设计与实现 ７７ 代人后化简得到 Ｍ（ ，ｋ，Ｑ） ＝—√（ ＝＝·＋＝＝÷一＝＝＝＝ ）＝＝＝ ＝ ＝＝＋Ｑ＝＝ ＝（＝ 一÷）＝＝＝ （１３） 输人电压范围决定电压增益的最小值Ｍ 、最 小值Ｍ ，如下 ２ …） ＝２ ） 由图２等效电路可得输入阻抗表达式如下 ｚｉ ＝。 ＋ｓＬ ＋（ｓＬ ／／Ｒ。。） （１６） 将式（１０）、（１１）、（１２）代人式（１６）归一 化后得到 ｚ Ｑ） ｊＸ ＋了１－Ｘ２（１７） ， ，令输入阻抗的虚部为零，可得到感性容性的分 界线。从而得出，输入阻抗为实数时的归一化频率 ：（ｋ，Ｑ）为 （ ，Ｑ）＝ （１８） 将式（１８）代人式（１７）可得最大电压增益， 然后对其简化后可得 Ｍ ． （ ’。 ）＝—√ （＿＝＝＝·＋÷）＝兰＿ｌ＝＝ （一÷ １９） 利用式（１９）、式（１５），可得到最小归一化 频率 （２０） ２．２原边开关管ＺＶＳ的约束条件 ＭＯＳ管的零电压开关ＺＶＳ关系着ＬＬＣ半桥谐振 变换器的高效率优化设计的实现Ｈ Ｊ。 图３中实现ＭＯＳ管的ＺＶＳ，将要导通的ＭＯＳ 管结电容的电量，在死区时间内被励磁电感的峰值 电流， 将电量放完，同时电压降至零。这时已关断 的ＭＯＳ管的结电容需要输入电压充电。ＺＶＳ的实 图３电路特性（ｚｖｓ） Ｆｉｇ．３ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ＺＶＳ 现，要求在第一个半周期结束以后，， 必须大于在 内给ｃ…放完电所需的最小电流为 ｊｆ ｆ｝ ，ｍ 蠢 ｚｖｓ＝（２ｃｏｓｓ¨ｍａ， （２１） ２．３变换器参数对直流增益影响分析 由图４可知ｋ值越大，Ｍ的归一化频率越低，变 化相同的增益时，开关频率变化范围越大，不利于变 压器的工作。但如果ｋ较小，励磁电感值相对较小， 流过励磁电感的电流变大，损耗也变大，影响传输效率。 所以对后值的确定，应该折中考虑，一般取２．５～６。 Ｑ值的选择直接影响到变换器的直流增益，输 人电压的范围决定输出电压能否达到设计所要求的 值。从图５可以看出，Ｑ值越小， 的最大值就越 大。但这样选择后频率范围也会变宽，会影响元件 的磁性。因此，Ｑ值根据情况折中选择。 图４不同 值下＿】Ｉｆ曲线 Ｆｉｇ．４肘ｃｕｒｖｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋ ３设计实例 ３．１参数计算 以一个１００ｋＨｚ、１２０Ｗ的电源为例，额定输入 电压为４００Ｖ（ＤＣ），输出３．５Ａ／３６Ｖ，效率为９２％， 保持时间Ｔ ＝２０ｍｓ，输入电容１５０１￣Ｆ，中点Ｎ上
