全桥LLC谐振变换器原理及MATLAB仿真模型
全桥LLC谐振变换器原理及MATLAB仿真模型
全桥LLC谐振变换器是一种常用的电力电子变换器拓扑结构，具有高效率、高功率密度和低电磁干扰等特点。本文将详细介绍其工作原理和仿真模型，帮助读者更好地理解这种变换器的工作机制。
主电路拓扑
全桥LLC谐振变换器的主电路拓扑结构如图所示。其中，S1～S4为功率开关管，D1～D4为功率开关管的体二极管，C1～C4为功率开关管的寄生电容。谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm三个谐振元件组成谐振网络。T为功率变压器，n为功率变压器原副边的匝数比，D5～D8为副边整流二极管，Cf为输出滤波电容，RLd为负载。其中，Lm是集成在功率变压器中的励磁电感，Cr在原边回路中起到隔绝直流的作用，故又称之为隔直电容，S2、S4组成超前桥臂，S1、S3组成滞后桥臂。
在分析全桥LLC谐振变换器的工作原理之前，需要对变换器的元器件做出以下假设：
- 电路中的所有开关管、整流二极管、电容、电感及变压器均为不存在寄生参数，不会产生相互干扰的理想元器件；
- C1=C2=C3=C4；
- 输出滤波电容Cf的容量足够大，可以近似为变换器输出电压恒定。
工作原理
移相控制是通过改变S1～S4超前桥臂与滞后桥臂之间的相角差来达到调节输出电压目的的。具体实现方式为S1、S2分别在PWM控制信号的上下沿时刻导通，从而使超前桥臂和滞后桥臂形成相角差，因此也称作移相PWM控制。移相PWM控制工作模式下，全桥LLC谐振变换器的开关工作频率fs等于谐振频率fr。
工作模态
全桥LLC谐振变换器在一个开关周期内有10个工作模态，其中前半周期的工作模态与后半周期工作模态类似，可仅对前5个工作模态加以描述：
模态1 (t0～t1)
在进入该模态之前，S1开通、S2关断，S4还未开通，此段时间较短为开关死区时间，到t0时刻，S1、S4均导通，Uab刚上升为最大值等于Uin，谐振电感Lm中电流比谐振电感Lr要小，功率变压器副边D5、D8管为导通状态，Lm两端电压被钳位等于变压器副边输出电压，其流过电流iLm变化率不变，线性上升，到t1时刻可到达最大值。此段时间内，Lr与Cr一起谐振。
模态2 (t1～t2)
在t1时刻，S1关断，S4仍处于开通状态，谐振电感Lr给寄生电容C1充电，给寄生电容C3放电。寄生电容C1、C3在环路中能对S1、S3的开关起到缓冲作用，此时S1零电压关断，副边整流二极管D5、D8依然处于导通状态。
模态3 (t2～t3)
在t2时刻，寄生电容C3的电压刚好下降为零，S3零电压开通，S4依旧处于导通状态，Uab为零，谐振电感Lr中的电流仍然比Lm中的电流大，复变二极管D5、D8仍然继续导通，iLm继续线性增大，但是由于a、b两点处在零状态不能给谐振网络提供能量，所以Lr中的电流逐渐减小用以提供能量给副边负载。
模态4 (t3～t4)
在t3时刻，iLr等于iLm，Lm中的能量不足以维持副边电压稳定，ip下降为零。副边D5、D8管中的电流亦同时下降为零并反向截止，均实现ZCS关断。此段工作过程中输出滤波电容提供负载能量，Lr、Lm和Cr一起参加谐振。
模态5 (t4～t5)
在t4时刻，功率开关管S4关断，谐振电感Lr中的电流给寄生电容C4充电，同时寄生电容C2在回路中放电，C2、C4在回路中起到的缓冲作用，使S4实现近似的零电压关断。
模型主体
仿真模型的参数设置如下：
- 输入电压：311V
- 谐振频率：100kHz
- 输出电压：50V
- 额定电流：20A
输出波形
由于原文中未包含具体的输出波形图，因此这里无法展示。但根据上述分析，可以使用MATLAB/Simulink等仿真工具搭建全桥LLC谐振变换器的模型，并观察其输出波形。
参考文献
- 蔡光祥. 移相变频控制全桥LLC谐振变换器研究 [D]. 华中科技大学, 2010.
- 黄亮. PFM半桥LLC谐振变换器研究 [D]. 华中科技大学, 2011.