一种全桥双谐振CLL谐振变换器的分析与设计
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收稿日期： 2015-10-27
目前常见的全桥零电压开关变换器主要有两 种： 脉宽调制全桥零电压开关变换器和全桥L L C 谐 振 变 换 器 。脉宽调制全桥零电压开关变换器的主要 缺点是当负载减小时， 变压器漏感上 存 储 的 能 量 不 足以使开关管的结电容完成充放电， 导致滞后桥臂 开 关 管 的 零 电 压 导 通 ZVS(zero voltage switching)丢 失。 因此， 能使其在全 开关管的Z V S
第 15卷 第 1 期
电
源
学
报
Vd.15 Wo.l Jan. 2017
2017 年 1 月
Journal 〇 ? Power Supply
中图分类号： TM46 文献标志码：A
D 01： 10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.92
一种全桥双谐振 CLL谐振变换器的 分析与设计
姜龙飞， 张展望
(西 南 交 通 大 学 电 气 工 程 学 院 ， 成 都 610031)
摘要： 提 出 一 种 全 桥 双 谐 振 CLL 谐 振 D C -D C 变 换 器 拓 扑 。 该变换器有两个谐振网络， 共用一个变压器。 该 谐振变换器能在全负载范围内， 实 现 开 关 管 的 零 电 压 导 通 ZVS( zero voltage switching) 和 副 边 整 流 二 极 管 的 零 电 流 关 断 ZCS(zero current .w itc h in g ), 变 换 器 开 关 管 的 开 关 损 耗 低 ， 同时消除了二极管的反向恢复损耗， 实现较 高效率， 适 用 于 分 布 式 电 源 系 统 中 的 直 直 变 换 模 块 。 采 用 基 波 分 析 FHA (fundamental harmonic approximation) 方 法对该谐振变换器进行分析， 得到 了该变换器的直流增益特性。最 后 ， 制 作 了 一 台 200 W 的 实 验 样 机 ， 验证了 理论分析的正确性。 关键词： CLL 谐 振 变 换 器 ； 零电压开关； 双谐振； 环流损耗
导通， 就 显 得 尤 为 重 要 。解决以上问题的方法主要 有： ①利用变压器的漏感[ 1 ， 2 ]或 者 串 联 一 个 电 感 ， 漏 电 ， ZVS 宽，
第 1期
姜龙飞， 等： 一种全桥双谐振 CLL谐振变换器的分析与设计
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严重， 变压器匝比越小， 原边反馈电流越大， 导致开 关 管 的 导 通 损 耗越大;漏感与二极管结电容谐振， 引 起严重的寄生震荡， 增大了开关损耗和开关噪声。 ② 添加饱和电感代替漏感， ZVS范围增大， 解决了占 空 比 丢 失 问 题 ，减小了开关管和整流二极管的电压 应力， 减小 了 副边的寄生震荡和开关噪声， 但是变换 器体积显著增大。 ③外加辅助变压器[ & ， 7%， 利用变压器 励磁电感上的能量能够使变换器在全负载范围内实 现 ZVS ， 但是增加了 1 个 变 压 器 和 2 个 开 关 管 ， 增大 了变换器的体积。 ④添加耦合电感[ 8 %， 增大了 Z V S 范 围， 环 流 损 耗 低。 ⑤ 添 加 1 个 变 压 器 和 1 个耦合电感 [ 9 ] ， 使 变 换 器 能 够 在 全 负 载 范 围 内 实 现 ZVS ， 但增大 了满载损耗。 ⑥添加辅助电路[ 1 , ] ， 能够在全负载范围 内 实 现 ZVS, 但是电路复杂且增大了环流损耗。全桥 LLC 谐 振 变 换 器 [11]能在全负载范围内实现开关管 Z V S 和 副 边 整 流 二 极 管 零 电 流 关 断 ZCS (zero cur rent switching)， 但是变换器的环流损耗不随负载减 轻而明显减少， 使轻载效 率 低 。 因此， 为了解决这些问题， 本文提出了 一种全 桥 双 谐 振 C LL 谐 振 变 换 器 。该 变 换 器 能 够 在 全 负 载范围内实现开关管零电压导通和副边整流二极 管零电流关断， 开关损耗低， 效率高， 环流损耗低。
分布式电源系统 D P S (distributed power system) 具 有干扰小、 损耗低、 可靠性高等优点广泛应用于计 算机供电系统和通信电源系统中，其中全桥变换器 在 其 前 端 变 换 器 结 构 的 后 级 D C /D C 模块中被 广 泛 采 用 。全 桥 零 电 压 开 关 变 换 器 F B Z V S (full-bridge zero voltage switching converter) 具 有 零 电 压 导 通 、 高效率、 高功率密度、 电压应力适中等优点， 成为目 前全桥变换器的研究热点之一。
Analysis and Design of a Full-bridge CLL Resonant Converter with Double Resonant Tanks
J I A N G Longfei , Z H A N G Zhanwang
(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
A bstract ：In this paper, a full-bridge CLL resonant converter with double resonant tanks is presented. The converter is consisted of double resonant tanks, sharing a transformer. This topology can achieve zero-voltage switching (ZVS"and zero-current switching(ZCS)for output rectifier from zero load to full load, and the switching loss of transistor switching is low. The reverse recovery losses of rectified diode is eliminated so that the higher efficiency is achieved. These make the converter rly suitable in DC/DC module of distributed power supply system. To obtain the dc characteristic of the converter, the fundamental harmonic approximation (FHA) is adopted. and finally a prototype 200 W full-bridge CLL resonant converter with double resonant tanks is designed and built to verify the proposed design method. Keywords ： CLL resonant converter; zero voltage switching; double resonant tanks; circulating current loss
目前常见的全桥零电压开关变换器主要有两 种： 脉宽调制全桥零电压开关变换器和全桥L L C 谐 振 变 换 器 。脉宽调制全桥零电压开关变换器的主要 缺点是当负载减小时， 变压器漏感上 存 储 的 能 量 不 足以使开关管的结电容完成充放电， 导致滞后桥臂 开 关 管 的 零 电 压 导 通 ZVS(zero voltage switching)丢 失。 因此， 能使其在全 开关管的Z V S
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中图分类号： TM46 文献标志码：A
D 01： 10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.92
一种全桥双谐振 CLL谐振变换器的 分析与设计
姜龙飞， 张展望
(西 南 交 通 大 学 电 气 工 程 学 院 ， 成 都 610031)
摘要： 提 出 一 种 全 桥 双 谐 振 CLL 谐 振 D C -D C 变 换 器 拓 扑 。 该变换器有两个谐振网络， 共用一个变压器。 该 谐振变换器能在全负载范围内， 实 现 开 关 管 的 零 电 压 导 通 ZVS( zero voltage switching) 和 副 边 整 流 二 极 管 的 零 电 流 关 断 ZCS(zero current .w itc h in g ), 变 换 器 开 关 管 的 开 关 损 耗 低 ， 同时消除了二极管的反向恢复损耗， 实现较 高效率， 适 用 于 分 布 式 电 源 系 统 中 的 直 直 变 换 模 块 。 采 用 基 波 分 析 FHA (fundamental harmonic approximation) 方 法对该谐振变换器进行分析， 得到 了该变换器的直流增益特性。最 后 ， 制 作 了 一 台 200 W 的 实 验 样 机 ， 验证了 理论分析的正确性。 关键词： CLL 谐 振 变 换 器 ； 零电压开关； 双谐振； 环流损耗
导通， 就 显 得 尤 为 重 要 。解决以上问题的方法主要 有： ①利用变压器的漏感[ 1 ， 2 ]或 者 串 联 一 个 电 感 ， 漏 电 ， ZVS 宽，
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严重， 变压器匝比越小， 原边反馈电流越大， 导致开 关 管 的 导 通 损 耗越大;漏感与二极管结电容谐振， 引 起严重的寄生震荡， 增大了开关损耗和开关噪声。 ② 添加饱和电感代替漏感， ZVS范围增大， 解决了占 空 比 丢 失 问 题 ，减小了开关管和整流二极管的电压 应力， 减小 了 副边的寄生震荡和开关噪声， 但是变换 器体积显著增大。 ③外加辅助变压器[ & ， 7%， 利用变压器 励磁电感上的能量能够使变换器在全负载范围内实 现 ZVS ， 但是增加了 1 个 变 压 器 和 2 个 开 关 管 ， 增大 了变换器的体积。 ④添加耦合电感[ 8 %， 增大了 Z V S 范 围， 环 流 损 耗 低。 ⑤ 添 加 1 个 变 压 器 和 1 个耦合电感 [ 9 ] ， 使 变 换 器 能 够 在 全 负 载 范 围 内 实 现 ZVS ， 但增大 了满载损耗。 ⑥添加辅助电路[ 1 , ] ， 能够在全负载范围 内 实 现 ZVS, 但是电路复杂且增大了环流损耗。全桥 LLC 谐 振 变 换 器 [11]能在全负载范围内实现开关管 Z V S 和 副 边 整 流 二 极 管 零 电 流 关 断 ZCS (zero cur rent switching)， 但是变换器的环流损耗不随负载减 轻而明显减少， 使轻载效 率 低 。 因此， 为了解决这些问题， 本文提出了 一种全 桥 双 谐 振 C LL 谐 振 变 换 器 。该 变 换 器 能 够 在 全 负 载范围内实现开关管零电压导通和副边整流二极 管零电流关断， 开关损耗低， 效率高， 环流损耗低。
分布式电源系统 D P S (distributed power system) 具 有干扰小、 损耗低、 可靠性高等优点广泛应用于计 算机供电系统和通信电源系统中，其中全桥变换器 在 其 前 端 变 换 器 结 构 的 后 级 D C /D C 模块中被 广 泛 采 用 。全 桥 零 电 压 开 关 变 换 器 F B Z V S (full-bridge zero voltage switching converter) 具 有 零 电 压 导 通 、 高效率、 高功率密度、 电压应力适中等优点， 成为目 前全桥变换器的研究热点之一。
Analysis and Design of a Full-bridge CLL Resonant Converter with Double Resonant Tanks
J I A N G Longfei , Z H A N G Zhanwang
(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
A bstract ：In this paper, a full-bridge CLL resonant converter with double resonant tanks is presented. The converter is consisted of double resonant tanks, sharing a transformer. This topology can achieve zero-voltage switching (ZVS"and zero-current switching(ZCS)for output rectifier from zero load to full load, and the switching loss of transistor switching is low. The reverse recovery losses of rectified diode is eliminated so that the higher efficiency is achieved. These make the converter rly suitable in DC/DC module of distributed power supply system. To obtain the dc characteristic of the converter, the fundamental harmonic approximation (FHA) is adopted. and finally a prototype 200 W full-bridge CLL resonant converter with double resonant tanks is designed and built to verify the proposed design method. Keywords ： CLL resonant converter; zero voltage switching; double resonant tanks; circulating current loss