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使用LLC谐振转换器设计宽范围电压源
Reza Beiranvand，IEEE学生会员，Bizhan Rashidian，Mohammad Reza Zolghadri，IEEE会员，Seyed Mohammad Hossein Alavi
摘要：具有显着谐振电感的抽象LLC谐振转换器被设计用于设计可调节的宽范围稳压电源。 大谐振电感增加了输出电压调节范围和转换效率，特别是在轻载时。 通过适当选择死区时间和最大开关频率并在转换器的感性区域内工作，可以在所有工作条件下实现所有功率器件的软开关。 使用功率因数校正（PFC）转换器可降低谐振转换器的输出电压对主交流输入电压变化的依赖性。 因此，可以通过使用较小的开关频率变化来实现负载变化的补偿和调节输出电压的宽范围调节。 所提出的方法已经被用于实现可调节的宽范围电压源（35-165V dc），作为离子注入机弧电源。 转换器已经实现了几乎平坦的效率曲线，最大值为94％。 其输出电流可以从无负载变为3 A直流。
索引术语 - 死区时间，LLC谐振转换器，宽可调范围，零电流开关（ZCS），零电压开关（ZVS）。
- 介绍
在离子注入机中使用的源需要一个可调节的电压和电流源，用于调节电弧电压和灯丝电流。 离子注入的主要特征由以下子系统控制：1）离子源; 2）质量分析仪; 3）加速器; 4）扫描仪; 和5）高精度离子计数器。 所有这些过程都是在高真空条件下完成的，以获得具有特定能量的受控离子束。 必须适当调整电弧电压和灯丝电流，以获得受控的热离子发射和植入晶片中用于掺杂半导体器件的稳定离子束。 图1显示了作为离子注入机离子源一部分的设计电路的框图。 Lee等人为每个阶段和整个系统提供了很好的描述[1]。 在这种结构中，电磁干扰（EMI）滤波器可防止开关噪声在主交流输入中传播。 功率因数校正（PFC）单元改善了输入功率因数，并在一定程度上调节了谐振转换器的直流输入电压。
手稿于2009年11月15日收到; 2010年2月8日和2010年4月24日修订; 2010年5月20日接受发布日期2010年6月14日; 当前版本的日期2011年4月13日。
作者是伊朗德黑兰11365-8639谢里夫理工大学电子工程系（电子邮件：r.beiranvand @ yahoo.com; rashidia@sharif.edu; zolghadr@sharif.edu; mhalavi @ sharif。 EDU）。
本白皮书中一个或多个数字的彩色版本可在网上查阅http://ieeexplore.ieee.org。
数字对象标识符10.1109 / TIE.2010.2052537
通过辅助开关式电源为控制单元提供调节电压。 谐振转换器分别为离子注入机灯丝和弧段提供可调节的和调节的电流和电压源。 在本文中，电弧谐振转换器的讨论提供了一个宽范围的稳压电源。 在我们的离子注入机系统中，电弧电源的输出电压必须可以从35至165 V直流可调。 其输出负载从无负载变为3 A直流。 LLC谐振拓扑结构被提出来实现这个目的。这个转换器有很多优点。它可以在较宽的输入电压和负载变化范围内调节输出电压，同时开关频率变化相对较小。此外，所有必要的寄生元件，包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）输出电容以及变压器泄漏和磁化电感被用于实现软开关和高频操作。
串联谐振变换器和串并联负载谐振变换器已被用于设计电弧电源[2]，[3]。此外，CLL谐振转换器已被提出在非常高的开关频率DC-DC功率转换下实现非常高的效率[4]。 许多作者在其输出级使用LLC谐振转换器来设计恒定输出电压源[5]，[6]。另外，De Groot等人提出了在1MHz范围内的开关频率下的LLC谐振转换器（基于绝缘体上硅功率MOSFET并使用集成变压器）的集成解决方案，以实现恒定输出电压[7]。在[8]-[11]中可以看出LLC谐振转换器对于恒定输出电压应用的一些其他有用的分析，讨论和验证。 但是，仅使用变压器的初级参考漏电感不能用于宽动态负载应用的宽输出电压。
总之，LCC和并联谐振转换器可用于宽动态负载应用。 这些转换器在其感应区域呈现出大的循环槽电流，特别是在轻载时。 在精心设计的复杂三电平拓扑结构中，这些转换器可以高效运行，并且可以为某些宽动态负载应用实现非常高的功率密度，从[12]和[13]可以得出结论。另一方面，串联谐振转换器在轻载时的循环槽电流很低，但不能用于宽负载变化[14]。
如前所述，有关“恒定输出电压和可变负载”作为其主要范围的研究已经做了大量研究。 特别是在低负载条件下，
0278-0046/$26.00 copy; 2010 IEEE
图1.作为离子注入机系统离子源一部分的设计电路框图。
由于调节输出电压所需的频率范围很宽，所以这种设计的负载变化常常受到限制。大多数谐振转换器控制器不支持这些宽频率变化; 而且，对于如此大的变化，电感元件不能进行最佳设计。
本文提出了一种具有显着谐振电感的LLC谐振转换器，用于可调宽范围稳压电源。 宽输出电压调节范围（35-165 V dc）可实现，与输入电压或输出负载变化无关。 输出电流从0到3 A直流变化，转换器可以在低负载条件下完美工作。使用频率控制，即使在宽输入电压或输出负载变化的情况下，LLC谐振转换器也可以处理宽调节输出电压。
LLC谐振转换器拓扑在第II节中讨论。其交流等效电路，传递函数和频率响应分别在第三节和第四节进行了研究。在第五节中讨论了设计转换器无源元件以满足最坏情况的条件。分别在第VI节和第VII节中描述了在启动瞬态时间和转换器损耗时消除应力。第八节计算了用于实现零电压开关（ZVS）操作的最大开关频率的死区时间和上限。 第九节给出了实验结果。 第十节的结论。
- LLC谐振转换器拓扑结构
LLC谐振转换器是最适合用于设计恒定输出电压开关电源（SMPS）的电路拓扑结构之一。使用这种拓扑结构，可以设计出低噪声高效SMPS。在本文中，具有显着谐振电感的LLC谐振转换器是通过在LLC谐振转换器的初级侧增加一个串联的外部电感来实现的，并被提出用于可调宽范围稳压电源（35-165 V dc）用作离子注入机电弧电源。 输出负载从无负载变为满负载。 这种情况比恒定输出电压情况要普遍得多。 为所有输入/输出电压和负载条件获得软开关要困难得多。 设计高频转换器最重要的主题之一是其产生的EMI噪音。 为了减少这些噪声，LLC谐振转换器具有
图2. LLC谐振转换器（a）电路拓扑和（b）典型波形。
软开关已被使用。 由于软开关，开关损耗已被有效降低; 因此，通过增加开关频率，可以减小转换器的尺寸。 在该转换器中，频率控制用于调节和调节输出电压。 在谐振转换器中，门控信号的脉冲宽度相等[15]。
LLC谐振转换器的电路拓扑如图2（a）所示，其典型波形如图2（b）所示。 这些波形与电感区域相关，其中开关频率大于转换器的谐振频率。 在半桥拓扑结构中，门控信号中的任何不对称都会导致直流电流，从而使变压器磁芯饱和。 但是图2（a）中的谐振电容Cr通过删除上述元件来防止这种不愉快事件。 在谐振转换器中形成一个重要的谐振电路是该电容器的主要作用。 在图2中，n = Np / Ns是变压器匝数比。 Np和Ns分别是变压器初级绕组和次级绕组的匝数。 Lm是变压器的磁化电感，Lr是变压器初级参考漏感和在变压器初级侧增加到LLC拓扑的电感之和。
这里，Vin和Vout分别是直流输入和输出电压。从（5）和（6），我们可以写
图3. LLC谐振转换器的交流等效电路。
- AC谐振器的等效电路转换器及其电压增益
因此，直流输出电压可以表示如下：
如果直流电压增益定义如下：
基于一次谐波近似（FHA）方法，转换器的非线性电路被线性和非线性电路取代时间不变的电路，如图3所示。Ro相当于负载和整流器级，表示如下[16]：
然后，从（8）和（9）可知，谐振变换器的直流传递函数与其交流等效电路的电压增益可以表示如下：
这种近似模型简化了主复杂电路的分析，并通过改变负载和频率来说明输出电压的变化。 交流电的传递函数等效电路可以表示如下：
因此，获得了直流传递函数
这里，Vi和Vo分别是交流输入和输出电压的第一部分。 Zin（s）是电路的输入阻抗，它等于
我们定义归一化的直流输入和输出电压，分别如下：
为了计算频域中的传递函数，定义了以下参数:
这里，fn，fr，fs和Q分别是归一化频率（无量纲），谐振频率（赫兹），开关频率（赫兹）和品质因子。 从（2） - （4），转换器电压增益的幅度可以表示如下：
如（5）所示，电压增益的大小是质量因子和参数的函数。 品质因数取决于负载，在空载条件下等于零。 为了研究直流输出电压对直流输入电压的依赖性，我们可以写出
这里，Vin Norm =（Vin min Vin max）/ 2是直流输入电压的正常值。 Vin min和Vin max是最小值和转换器输入电压的最大值。 因此，导出归一化的直流输出电压
使用(13)，可以研究谐振转换器的行为。
- LLC谐振转换器的频率响应
转换器的输出电压取决于其输入电压。根据图1，使用了PFC转换器。 所以，放大功率因数得到改善，谐振转换器的输入电压几乎稳定。 因此，谐振转换器的输出电压对主交流输入电压的依赖性已经降低。 因此，开关频率变化仅用于补偿负载变化并在宽范围内调节调节后的输出电压。LLC谐振回路的归一化直流输出电压变换器（13）与归一化开关频率的关系曲线如图4所示。通过控制开关频率，输出电压可以调节到所需的值，并且它可以
.
图4. LLC谐振转换器的归一化直流输出电压与fn和Q的关系（n= 2.3，a= 1.51）（a）最小输出电压,当Vin N = 1.057时，Vout min N = 0.1和（b）最大输出电压，当Vin N = 0.914时，Vout max N = 0.47。
针对输入电压或输出负载变化进行调节。 考虑（12），标准化的最大和最小输出电压（分别对应于Vout max = 165 Vdc和Vout min = 35 Vdc）也已在图4中绘出。 在该图中，输入电压（370-320 V dc）的最大值和最小值已被应用于转换器，以分别识别归一化开关频率的最大值和最小值。 这些开关频率分别在最小输出电压的轻负载和最大输出电压的满负载下发生。 当功耗较小或无负载情况下，通过控制开关频率不能在很大范围内调节最小输出电压。 输出电压的可调范围取决于电感比（Lr / Lm）的值，可以通过增加该量的值来增加输出电压的值[见（11） - （13）]。 在图5中绘制了LLC谐振转换器归一化的直流输出电压与归一化开关频率之间的关系曲线。使用该图，可以理解通过频率控制（从空载到满载）调节输出电压的不同值。
（a）Vin = 1.057，Q = Qmin = 9 10\（b）Vin N = 0.914，Q = Qmax L = 0.539，以及在不同条件下的典型LLC谐振转换器归一化直流输出电压与fn的关系（c）Vin N = 0.946，Q = Qmax H = 2.54。
对于高输出电压Vout max N，小的归一化频率变化Delta;fn1= fn1 fn min足以补偿输出负载和输入电压变化。 但是对于低输出电压Vout min N，我们需要宽的归一化频率变化Delta;fn2= fn max fn2，如图5所示。
times;
minus;
minus;
有必要提到的是，在PFC阶段，输入功率因数和输出电压调节之间存在基本冲突[17]。 因此，必须考虑这些参数之间的折衷。 在这种情况下，由于下一级更容易调节输出电压的能力，所以已经优选提高输入功率因数而不是输出电压调节率。 在最坏的情况下（考虑到PFC转换器输出电压的100Hz纹波以及宽输出负载和输入电压变化），该级的输出电压变化小于10％。 为了提高置信度系数并正确操作谐振转换器，该转换器设计用于补偿其输入电压（320-370 V dc）的15％以上的变化。
改变脉冲宽度用于调节输出电压与输入电压或脉宽调制（PWM）转换器中的负载变化[18]，[19]。 但是，在谐振转换器中，频率变化被用于补偿上述变化。 LLC谐振转换器的功率MOSFET或其反向并联二极管始终以占空比= 0.5Delta;T\fs开启和关闭，这与输入电压或负载变化稍有关系。 这里，Delta;T\是有效电容与功率MOSFET的漏极并联的持续时间被充电或放电。 这个时间间隔取决于输入和输出电压和负载。 Delta;T\应始终小于转换器死区时间Delta;T，以实现转换器电感区域的ZVS操作。
minus;
电弧电压必须在很宽的范围内调整。 由于ZVS操作和控制器的简单性，我们倾向于将转换器设计为在电感区域工作，该控制器必须能够在稳定状态和瞬态条件下调节输出电压与输出负载和输入电压变化。 该控制器必须能够在宽范围内调节稳压输出电压。
在LLC谐振转换器中，变压器的初级参考漏感很小，这导致a系数的值很小。 由于这个问题，即
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