一种改进的LLC电路在交流电源中的应用研究_论文下载

论文导读:：LLC谐振电路因具有高功率密度，高效率等优点成为研究的热点，由于其输出电压不是正弦交流电，研究焦点集中在直流电压输出的LLC谐振变换器。为了在正弦交流电源中利用LLC谐振电路的优点，本文介绍一种在LLC变换器基础上改进的直流-交流变换器。首先在Saber仿真基础上论证电路能实现正弦交流输出，然后对电路进行频域分析，并提出一种能实现软开关的参数设计方法，最后根据所述方法设计电路并仿真验证理论的正确性。
论文关键词：LLC谐振，交流电源，Saber仿真
 

0 引 言

交流电源已广泛应用于家电制造业，电子镇流器，电机，电子制造业医疗设备等需要不同频率电压及特殊要求的场所。而LLC谐振变换电路因为能实现软开通等优良特性广泛应用于直流电压输出电路中。本文提出一种稳定工作情况下等效为LLC的直流-交流变换器。

1 电路拓扑

LLC谐振拓扑如图1所示，输入电压为直流电压，开关管S1和S2互补导通,各占50%。D1和D2分别为S1和S2体二极管。L_r，C_r和L_p构成谐振网络。

图1 LLC谐振拓扑

Fig.1 LLC resonant topology

半桥中点a的电压为幅值为U_i的方波,其表达式U_a为：

，

式中 T为开关管开关频率。

将U_a进行傅里叶变换可得到：

由于电路能通过部分高频信号，且电容C_r具有隔直作用，所以L_p两端的电压波形介于矩形波和正弦波之间。Saber仿真图如图2所示。

图2 LLC电路输出电压仿真波形

Fig.2 Output voltage waveform with LLCcircuit

在图1中，L_p两端并联电容C_p即为本文研究的电路拓扑，具体电路图如图3所示。在加入一定大小电容C_p后，由于存在LC低通滤波，电路的会几乎完全阻止高频分量的通过，加上电容C_r的隔直作用，从而使输出为正弦波。Saber仿真图如图4所示。

图3 并联电容后的电路拓扑

Fig.3 Circuit after paralleling acapacitor

图4图3所示电路输出电压仿真波形

Fig.4 Output voltage waveform with thecircuit in Fig.3

2 电路的频域分析

为了实现电路开关管能够工作在零电压导通状态论文下载，电路总阻抗须呈感性。由于在LLC电路中并联了电容，电路的阻抗特性与LLC电路有一定差别，下面对电路进行频域分析。

据图3可得电路的阻抗为： 当B>0时，电路呈感性，当B<0时，电路呈容性。但是，从上式可看出，B的值与电路中众多参数有关，很难判别电路保持感性的条件。下面对谐振电路两个主要部分（L_r和C_r的串联部分，L_p, C_p和R的并联部分）进行频域分析。

2.1L_r和C_r的串联部分的频域分析

L_r和C_r的串联部分的阻抗为：

串联谐振的频率为：

则当输入信号的频率f>f_r时，串联部分电路呈感性；当输入信号的频率f<f_r时，串联部分呈容性。对(4)转化可得，当输入信号的频率f>f_r时等效电感为：

在此频率范围，随着输入信号的频率升高，等效电感量越大，最大等效电感量为L_r，变化趋势如图5所示。而当输入信号的频率f<f_r时等效电容为：

此时随着输入信号频率升高，等效电容量越大，最小值为C_r，变化趋势如图6所示。

图5 ω变化时串联部分等效电感（电容）曲线

Fig.5 The curve of Equivalent inductance（capacitance）of the series when ω is changing

图6 ω变化时并联部分等效电感（电容）曲线

Fig.6 The curve of Equivalent capacitance（inductance）of the parallel when ω is changing

2.2 L_p,C_p和R的并联部分频域分析

L_p,C_p和R并联部分阻抗为：

L_p,C_p并联部分阻抗为：

由（8）、（9）两式可知，L_p、C_p、R并联部分和L_p,C_p并联部分具有同样的容性和感性。并联谐振频率为：

当输入信号的频率f>f_p时，L_p,C_p并联部分呈容性，等效电容为：

此时，当输入信号频率越大，等效电容量越大且最大值为C_p,变化趋势如图5所示。当输入信号频率f<f_p时，L_p,C_p并联部分呈感性，等效电感为：

此时，当输入信号频率越大，等效电感量越大且最小值为L_p，变化趋势如图6所示。

2.3电路在额定工作频率及其邻域的频域分析

选取额定工作频率f=f_r，此时L_r和C_r的串联部分阻抗为零，故要使整个电路呈感性，需L_p,C_p和R并联阻抗呈感性论文下载，即有f_r<f_p。

下面对电路输入频率在f=f_r邻域电路的阻抗特性进行分析。

在输入信号频率f< f_r时，串联部分为容性，由（7）式可知，当频率越靠近f_r时，等效电容量C₁越大，等效阻抗为：

可得到1/ω²C₁较小，即并联部分只需要较小的等效电感即可让整个电路成感性。此时并联部分阻抗为：

而此时并联部分等效电感为：

故只要L₂取一个远离正无穷和不接近零的值，并联部分的等效电感量相对较大，可得整个电路在f<f_r一定一段频率区间内呈感性。而L₂取一个远离正无穷的值需f_p相对f_r保持一定裕量，L₂不接近零需f_p取值时尽量选取较大值，从而得到可得到较大的感性工作区间。

在f_r<f<f_p时，并联部分和串联部分均呈感性，即整个电路呈感性。

在f>f_p时，并联部分呈容性，并联阻抗为：

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