第
45
卷第
7
期
2011
年
7
月
电力电子技术
Power Electronics
Vol.45
，
No.7
July 2011
基于全桥
LLC-SRC
的隔离升压型直流变压器
陈
申
，
尹少锋
，
吕征宇
310027
）
（
浙江大学，浙江 杭州
摘 要
：
LLC
串联谐振变换器（
是广泛应用的三元件谐振变换器，
由于其初、
次级½很容易实现½开关，
LLC-SRC
）
是目前公认的适合中、
小功率应用的高效率、
高密度和½成本的
DC/DC
拓扑。提出了基于
LLC-SRC
的隔离升压
型直流变压器方案，
并给出了具½设计方法。设计了一台
300 W
实验样机，
结果显示，
基于
LLC-SRC
的隔离升
压型直流变压器具有很½的负½½调整特性，
在从半½½到满½½的输出范围内，
其效率均达
97%
以上。
关 键 词
：
直流变压器；串联谐振变换器；隔离
中图分类号
：
TM41
文献标识码
：
A
文章编号
：
1000-100X
（
2011
）
07-0111-03
Isolated Step-up DC Transformer Based on Full Bridge LLC-SRC
CHEN Shen
，
YIN Shao-feng
，
L譈 Zheng-yu
（
Zhejiang University
，
Hangzhou
310027
，
China
）
Abstract
：
LLC series resonant converter
（
LLC-SRC
）
is a widely used three
-component
resonant converter.This DC/DC
high power den-
topology is well known as suitable for small and medium power application requiring high efficiency
，
sity and low cost because of its easy realization of both primary and secondary side soft-switching.This paper proposes
a kind of isolated step-up DC transformer based on LLC-SRC and its detailed design method.A 300 W prototype is
designed.The experimental results show that the isolated step-up DC transformer based on LLC-SRC has good load
and
regulation
，
the efficiency can reach above 97% from half load to full load.
Keywords
：
direct current transformer
；
series resonant converter
；
isolation
Foundation Project
：
Supported by Science and Technology Department Foundation of Zhejiang
（
No.2009C31008
）
1
引
言
直流变换器包括输出稳压和输出电压不调节
两种基本类型，
它通过“
高频斩波
-
变压器隔离
-
高频整流”方案实现一种直流电压到与之成正比
的另一种或多种直流电压的变换。
文献
[1]
提出了基于推½正激结构的双向直流
变压器，
由于变换器工½在½开关状态，
因此½½
量双向流动时，
均½保证很高的效率。文献
[2]
提
出一类零电压开关的直流变压器，该类直流变压
器利用隔离变压器的励磁电流，实现了全负½½和
全输入电压范围内功率管的零电压开关。文献
[3]
分析了一种半桥½开关直流变压器电路，该电路
具有结构简单，
½开关效果½，
效率高等优点。
LLC-SRC
是一种成熟的功率变换器，主要应
用于输出稳压的降压功率变换场合。这里提出将
全 桥
LLC-SRC
设 计 成 隔 离 升 压 型 直 流 变 压 器 的
功率变换方案，
并给出具½的设计方法。
基于全桥
LLC-SRC
的直流变压器由于初、次级½½工½在
½开关状态，因而½实现高增益、高效率功率变
换。这里设计了一台
300 W
的实验样机，实验结
果显示，
基于全桥
LLC-SRC
的隔离升压型直流变
压器具有很½的负½½调整特性，在从半½½到满½½
的输出范围内，
变换器效率均达到
97%
以上。
2
隔离升压型直流变压器分析与设计
为获得更大的增益，隔离升压型直流变压器
采用全桥
LLC-SRC
拓扑，
其电路如图
1
所示。
图
1
基 金 项 目
：
浙 江 省 科 技 厅 基 金 资 助
（
2009C31008
）
定 稿 日 期
：
2011-01-29
½ 者 简 介
：
陈
申
（
1987-
），
男
，
福 建 宁 德 人
，
硕 士 研 究 生
，
研究方向为风力发电功率变换技术
。
基于全桥
LLC-SRC
的隔离升压型直流变压器
½变换器工½在完全谐振频率下时，其性½
最½，因此这里主要分析其工½在完全谐振状态
的
LLC-SRC
的电路特性，
此时全桥
LLC-SRC
共有
6
种模态
[4]
。
111
第
45
卷第
7
期
2011
年
7
月
电力电子技术
Power Electronics
Vol.45
，
No.7
July 2011
2.1
全 桥
LLC-SRC
的 增 益 特 性
2.3
谐振½络设计方法
全桥
LLC-SRC
基波等效模型如图
2
所示。
将全桥
LLC-SRC
设计成直流变压器，就是希
望
LLC
变 换 器 在 完 全 谐 振 点 附 近 的 增 益 随 频 率
变化的½响很小，即增益对频率的敏感性越小越
½。
基于此原则，
这里得到
L
m
和
L
r
的最½设计值。
L
m
的最½值为：
L
m_opt
=
T
d
8C
ds
f
r
式中：
d
为死区时间；
ds
为初级开关管寄生结电容。
T
C
L
m
为励磁电感；
r
为谐振电感；
r
为谐振电容；
eq
为耦合到初级
L
C
R
的交流等效负½½。
（）
4
图
2
全桥
LLC-SRC
的基波等效电路
电路中
R
eq
、
电感比
h
、
变换器品质因数
Q
、
谐
振频率
f
r
的计算式为：
R
eq
=8n
2
R
o
/π
2
，
h=L
m
/L
r
（）
1
-
Q=
姨
L
r
/C
r
/R
eq
，
f
r
=
（
姨
L
r
C
r
）
1
2π
姨
式中：
o
为输出负½½； 为初次级匝数比。
R
n
变换器的直流增益
U
o
/U
m
可表示为
h
和
Q
的
½数，
计算式为：
1
（）
G
（）
U
o
= 1 -
k
f
=
2
2
U
in
n
姨
[1+1/h-1/
（
f2
）
2
+Q
2
（
f
-1/k
f
）
hk
]
k
式中：
f
为开关频率与谐振频率的比值。
k
在单½变换器匝比下，关注
h
对增益曲线的
围绕
k
f
=1
点）
½响。在所关心的频率范围内（
50%
变化得到完全谐振点附近变换器增益随
h
变化的
增益曲线族，
如图
5
所示。可见，
为½变换器在完
全谐振点附近的增益对频率的敏感性降½，应该
将
h
设计得越大越½。½实际电路中， 有一个上
h
限，
即为
L
m
与变压器漏感的比值，
因此，
r
的最½
L
设计值
L
r_opt
即为变压器漏感，
r_opt
=L
l_p
+n
2
L
l_s
，
l_p
为
L
L
初级漏感，
2
L
l_s
为次级耦合漏感。
n
根据式（）
2
可得单½变压器匝比下全桥
LLC-
如图
3
所示。其
SRC
在不同
h
下增益特征曲线族，
中， ，
o
，
m
给定， 变化会引起
Q
变化。
n=1 R L
h
图
5
完全谐振点附近增益随
h
变化的增益曲线族
图
3
全桥
LLC-SRC
在不同
h
下的增益特征曲线族
2.2
完全谐振时的电路特性分析
在升压型
LLC-SRC
设计中，
所以，
L
m
取得
若
太大，
T
d
内，
在
初级开关管结电容储存的½量很
容易½
i
r
过零，因为
L
r
比降压
LLC-SRC
小得多。
因此式（）
实际
L
m
的取
4
提供了
L
m
的设计上限值，
值还要兼顾励磁电流，在损耗允许范围内，
m
应
L
该½量取小。
全桥
LLC-SRC
工½在完全谐振状态时，
r
和
L
变流器电压增益为
1/n
。
C
r
½络的串联阻抗为零，
此时，
谐振腔电流
i
r
（ 为正弦波，
励磁电流
i
m
（
t
）
t
）
为三角波，
如图
4
所示。
3
实验与讨论
为验证所提出的直流变压器的设计方法，
设
计一台实验样机，
各参数额定值：
in
=60 V
，
U
G=5.2
，
样机选用的元件：
初级开关
P
o
=300 W
，
sw
=100 kHz
。
f
管为
IPP086N10N3
（
V
，
A
） 最大导通电阻为
100 80
，
次级二极管为
MUR860
（
V
，
8.2 mΩ
，
j
=25
℃
；
T
600
图
4
完全谐振时全桥
LLC-SRC
的电流波½图
；
铁氧½
PQ35/35
；
控制芯片为
KA3525
。
8 A
） 磁芯：
根据所选元件的相关参数，得到
T
d
=200 ns
，
实验中，
C
ds
=0.5 nF
，
r
=100 kHz
，
r
上限为
400
μH
。
f
L
取这个值½够较½地抑制死区振
L
m
选用
100
μH
，
荡，
所设计的变压器初级匝数为
15
匝，
次级匝数
为
78
匝。
6
示出½½½和满½½时
VQ
3
的栅极电压
图
u
gs3
和漏源电压
u
ds3
以及谐振电流
i
r
波½。
根据文献
[5]
分析，
谐振电流即变压器初级电
流的有效值
I
rms_p
和励磁电流幅值
I
m_pk
计算式为：
2n
2
U
2
+8π
2
I
2
，
I
=
nU
o
（）
I
rms_p
= 1
3
o
o
m_pk
8n
L
m2
f
r 2
4L
m
f
r
可见两个½数½是以输出电流
I
o
为自变量。
姨
112
基 于 全 桥
LLC-SRC
的 隔 离 升 压 型 直 流 变 压 器
4
结
论
为满足高增益、
高效率功率变换要求，
这里提
出基于
LLC-SRC
的隔离升压型直流变压器方案，
并给出具½的电路设计方法。 与 传 统 降 压
LLC-
由于初级谐振电流脉动大，
故辅助
SRC
设计不同，
谐振电感会显著增加功率损耗。
理论研究表明，
电
图
6
电压、
电流实验波½
样机测试结果显示，
在从½½½到满½½范围内，
变换器均可工½在½开关状态。实验中选取
8
个
负½½点进行效率和增益测试，
结果如图
7
所示。
感比值越大，
基于
LLC-SRC
的直流变压器的频率
特性就越½。
因此，
所提出的方案提取变压器的漏
同时，
该方法对变压器骨架无特
感½为谐振电感。
殊要求，
按普通变压器的设计方法设计即可。
参考文献
[1]
[2]
[3]
图
7
直流变换器效率和增益曲线
[4]
张方华，
严仰光
.
直流变压器的研究与实现
[J].
电工技
术学报，
2005
， （）
76-80.
20 7
：
姚志垒，
肖
岚
.
一族零电压开关直流变压器
[J].
电工
技术学报，
2006
， （ ）
87-90.
21 11
：
杨海英，
谢少军
.
½开关半桥直流变压器的研究
[J].
电
力电子技术，
2006
， （）
48-50.
40 2
：
顾亦磊
.
集成模块电源拓扑标准化的研究
[D].
杭州：
浙
江大学，
2008.
由图
7a
可知，
从半½½到满½½之间变压器效率
可达
97%
以上。由图
7b
可知，
满½½时，
增益的负
½½调整率约为
2%
。
[5] Bing Lu
，
Wenduo Lin
，
Yan Liang
，
al.Optimal Design
et
06[C].
Methodology for LLC Resonant Converter[A].APEC
’
Dallas
，
Texas
：
533-538.
圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮圮
(
上 接 第
107
页
）
定信号有可½为
0圮1
或
0圮-1
的
情况。由图可见，
电流和电压均无负值。
题，
Bang-Bang
控制中电流的变化率很大，负½½又
是纯感性负½½，
加上线路杂散电感，
极易产生电压
尖峰而损坏
IGBT
。½通过合理的
RC
吸收电路，
可将其控制在一个可接受的范围。目前在电流保
护值
200 A
，整流电压
1.1 kV
的情况下，
IGBT
的
集射极电压控制在
1.5 kV
以内。
EAST
快控电源
改进实验的成功不仅为
EAST
实验装½提供了更
½的电源平台，而且对½际热核聚变装½快速控
制电源的研究也具有一定参考价值。
参考文献
[1]
Haihong Huang
，
Haixin Wu . Application of Phase
-
shift
PWM in EAST Fast Control Power Supply [J].IEEE
Trans. on Applied Superconductivity
， ， （）
1671 -
2010 20 3
：
图
3
实验波½
[2]
[3]
1675.
颜世超
.EAST
快控电源并联半桥三电平逆变器的研
究
[D].
北京：
中½科学院，
2007.
Kodachi H
，
Saito I.Performance Improvement
Noguchi T
，
of Current-controlled PWM Inverter by Means of Dither-
ing [A].Power Electronics and Drive System [C].2001
， ：
1
390-395.
4
结
论
响应
EAST
快控电源特殊性在于大电流输出，
速度快。基于
Bang-Bang
电流滞环控制的逆变电
源实现了上述指标，通过实验证明了此方案的可
行性。
½然，
在调试过程中也遇到如电压尖峰等问
113
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