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2 LLC電路分析

本文采用LLC諧振電路代替工頻變壓器進(jìn)行隔離，這是跟傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器所不同的地方，也是其優(yōu)點(diǎn)所在。傳統(tǒng)工頻隔離變壓器體積大、笨重、成本高，采用LLC諧振電路進(jìn)行隔離可以大大縮小逆變系統(tǒng)的體積，提高效率和功率密度。LLC 諧振電路是在傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路基礎(chǔ)上，將變壓器勵(lì)磁電感Lm 串聯(lián)在諧振回路中，構(gòu)成一個(gè)LLC諧振電路。相比傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路，由于增加了一個(gè)諧振電感，使得電路諧振頻率降低，無(wú)需使用額外輔助網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的開關(guān)管零電壓開關(guān);其次，變壓器副邊整流二極管可以有條件的工作在零電壓關(guān)斷，減小了二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗；而且其適合工作在寬的電壓輸入范圍下，輸入電壓越高，效率越高，在工作點(diǎn)最優(yōu)時(shí)可獲得97%的轉(zhuǎn)換效率。

本文采用了一個(gè)半橋LLC串聯(lián)諧振電路，如圖2所示。半橋LLC 串聯(lián)諧振電路包含輸入電容C1 、C2 ,MOSFET Q1 、Q2 ,諧振電感Lr ,諧振電容Cr ,變壓器T1 ,輸出整流二極管D1 ~ D4 和輸出電容C3。

由于增加了一個(gè)諧振電感，LLC諧振電路具有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是諧振電感Lr 和諧振電容Cr 的諧振頻率fr ,另一個(gè)是Lm 加上Lr 與Cr 的諧振頻率fm，計(jì)算公式如下： 在串聯(lián)諧振電路中，工作頻率fs 高于fr 時(shí)才能保證開關(guān)管工作在ZVS狀態(tài)，而在LLC電路中，只要保證fs 高于fm 就能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS.下面對(duì)它的工作過程進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。 LLC電路根據(jù)開關(guān)頻率范圍可以分為四種模式，本文只討論fr>fs>fm 模式下的工作原理，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)整個(gè)工作過程如下所述，工作波形如圖3所示，PS1 ,PS2 分別為Q1 ,Q2 的驅(qū)動(dòng)脈沖波形：

[ t0 - t1 ]階段：t0 時(shí)刻諧振電流為負(fù)，Q1 體二極管導(dǎo)通，Q1 兩端電壓鉗位在0,此時(shí)讓Q1 導(dǎo)通為零電壓導(dǎo)通。能量從電源正極流向C1 ,C2 中點(diǎn)，Lr ,Cr 諧振，諧振電流ILr經(jīng)過開關(guān)管Q1 并以正弦形式逐漸上升，流過變壓器原邊的電流IT1為諧振電流ILr與勵(lì)磁電流ILm之差，變壓器原邊電壓極性上正下負(fù)，副邊極性也為上正下負(fù)，因此D1 、D4 自然導(dǎo)通，變壓器原邊電壓被鉗位在nVo(n 為變壓器變比)，勵(lì)磁電流線性上升。
經(jīng)過半個(gè)周期諧165現(xiàn)代電子技術(shù)2013年第36卷振時(shí)Q1 仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。半個(gè)周期之后諧振電流開始減小，勵(lì)磁電流繼續(xù)線性上升，t1 時(shí)刻諧振電流與勵(lì)磁電流相等。

[ t1 - t2 ]階段：t1 時(shí)刻諧振電流ILr等于勵(lì)磁電流ILm,變壓器原邊電壓為0,副邊電壓也為0,副邊整流二極管全部截止，原邊不再向副邊提供能量，勵(lì)磁電感Lm開始參與諧振。由于Lm 要比Lr 大很多，LLC諧振周期明顯變長(zhǎng)，所以諧振電流基本不變。t2 時(shí)刻Q1 關(guān)斷。

[ t2 - t3 ]階段：t2 時(shí)刻Q1 關(guān)斷，此時(shí)Q2 也處于關(guān)斷狀態(tài)，電路進(jìn)入死區(qū)時(shí)間。諧振電流ILr對(duì)Q2 的結(jié)電容放電，當(dāng)它的電壓降到0時(shí)，體二極管導(dǎo)通，變壓器原邊繞組極性變?yōu)樯县?fù)下正，副邊整流二極管D2 、D3 自然導(dǎo)通，勵(lì)磁電感Lm 電壓被輸出電壓鉗位，不再參與諧振。諧振電流開始以2π LrCr 為周期程正弦規(guī)律減小，勵(lì)磁電流線性減小。t3 時(shí)刻Q2 零電壓開通。

[ t3 - t4 ]階段：t3 時(shí)刻Q2 零電壓開通，與第一階段類似，Lr 、Cr 諧振，諧振電流以正弦形式減小，勵(lì)磁電流線性減小。t4 時(shí)刻諧振電流等于勵(lì)磁電流。

[ t4 - t5 ]階段：t4 時(shí)刻開始變壓器原邊電壓為0,副邊整流二極管全部截止，原邊不再向副邊提供能量，勵(lì)磁電感不再被輸出電壓鉗位，開始參與諧振。LLC諧振電流基本不變。

[ t5 - t6 ]階段：與[ t2 - t3 ]階段類似，電路進(jìn)入死區(qū)時(shí)間，Q1 、Q2 全部關(guān)斷，諧振電流ILr對(duì)Q1 的結(jié)電容充電，當(dāng)它的電壓等于電源電壓時(shí)，體二極管導(dǎo)通，變壓器原邊繞組極性上正下負(fù)，副邊整流二極管D1 、D4 自然導(dǎo)通，勵(lì)磁電感Lm 電壓被輸出電壓鉗位，不再參與諧振。

諧振電流開始以2π LrCr 為周期程正弦規(guī)律增大，勵(lì)磁電流線性增大。t6 時(shí)刻Q1 零電壓開通，開始進(jìn)入下一個(gè)周期。

在[ t1 - t2 ]階段和[ t4 - t5 ]階段，假設(shè)諧振電流不變，設(shè)為Im ,則輸出電壓Uo 可表示為： 式中：Ui 為輸入電壓;T 為開關(guān)周期;Ts 為L(zhǎng)r 和Cr 諧振時(shí)的諧振周期。從式中可以看出，當(dāng)T = Ts 即fr = fs 時(shí)這種情況下[ t1 - t2 ]階段和[ t4 - t5 ]階段將不存在，諧振電流是純粹的正弦波，副邊整流電路輸出電流臨界連續(xù)，均方根值最小，開關(guān)管導(dǎo)通損耗最小，電路效率最高[8].所以，當(dāng)LLC電路工作在諧振頻率時(shí)，效率最高。本文中LLC電路的主要作用就是隔離，在保證隔離的基礎(chǔ)上要使效率最高，因此本文中使開關(guān)管的開關(guān)頻率等于諧振頻率。