引言
近年来，LLC谐振变换器由于具有电路拓扑结构简单，可以在全负载范围内实现原边开关管的ZVS并可充分利用高频变压器漏感实现磁集成等优点，成为学术界、企业界的研究热点。虽然LLC谐振变换器有诸多优点，它仍存在着一些问题。谐振参数设计较难，而且调频控制较为复杂；在轻载或空载时，输出电压不稳定且转换效率偏低。在这个日益珍视节能环保的时代，如何合理设计电路来改善和提高LLC的轻载性能是一个值得研究的热点。 1LLC轻载工作模式分析
LLC变换器的输出电压增益曲线，如图1所示。由图1可知，在某一特定负载下，LLC的输出电压增益曲线在ZVS区域随着工作频率f sw的增加而减小，如当电路100%负载工作时，随着工作频率的增加（f1→f2），电压增益逐渐减小（M1→M2）。同时，随着负载的减小，为了得到相同的电压增益M1，则工作频率需相应提高（f1→f2）。然而，在实际电路中经常会出现，当LLC工作于轻载高频条件时，随着开 DOI：10.13234/j.issn.2095-2805.2014.3.75中图分类号：TM46文献标志码：A LLC谐振变换器轻载下电压增益失真的研究
俞珊1，董纪清2，陈海堤3
（1.福州大学至诚学院电气工程系，福州350002；2.福州大学电气工程与自动化学院，
福州350108；3.国家电网莆田供电公司配电中心，莆田351100）
摘要：首先对轻载运行下的LLC谐振变换器输出电压增益失真现象进行分析，并通过对考虑分布电容的LLC 变换器进行建模仿真分析，得到考虑分布电容时的变换器电压增益曲线。针对轻载下的增益失真现象，给出了4种措施加以改进。最后，通过制作一台12V/20A的LLC变换器样机，验证了分析设计的合理性。 关键词：LLC；轻载特性；分布电容；Burst模式
Study of Light-Load Voltage Gain Distortion in
LLC Resonant Converter
YU Shan1,DONG Ji-qing2,CHEN Hai-di3
（1.Department of Electrical Engineering,Zhicheng College,Fuzhou University,Fuzhou350002,China;
2.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou350108,China;
3.National Grid Power Company Distribution Center in Putian,Putian351100,China）
Abstract：The distortion of LLC resonant converter output voltage gain under light load operation was analyzed.The voltage gain curve considering distributed capacitance of LLC converter was presented through modeling and simulation analysis.Four kinds of method were introduced to improve this issue.The experiment results of a12V/20A LLC con-verter prototype are given out to verify the methods.
Key words：LLC;light-load characteristics;distributed capacitance;Busrt mode
收稿日期：2014-01-05
总第53期
电源学报
关频率f sw 的进一步提高，变换器电压增益反而变大，从而使得输出电压不稳甚至直接导致过压保护的现象。
高频变压器作为LLC 变换器的一个重要元件，对整机的电气性能有着重要的影响。由于磁芯和线圈的
非理想性，实际的变压器中存在着许多寄生参数，在对电路进行建模分析时，应考虑变压器寄生参数对电路特性的影响。变压器的寄生参数主要由漏感和寄生电容组成。根据LLC 变换器的电路结构，可以充分利用漏感作为谐振电感。然而，设计者在设计高频变压器时，却往往只重视漏感的存在，而忽视了分布电容的影响。
本文给出了考虑分布电容的LLC 谐振变换器以及FHA 等效电路，如图2所示。这里的分布电容主要由变压器的分布电容以及副边整流二极管的寄生电容组成。文献[1]中已给出了针对二极管分布电容的的解决方案，因此，本文侧重于解决变压器的分布电容。
如图2（a ）所示，C j 为整流二极管的结电容；C p
和C s 分别为变压器初级绕组和次级绕组各自的分布电容，分别代表了变压器初级和次级各自内部存储的电场能量；而C ps 为初级与次级之间的分布电容，反映了变压器原副边之间的电场耦合能力［2］。为了消除变压器初级和次级电容耦合产生电磁干扰，通常，在初级和次级设有屏蔽层，因此，其影响可以忽略。此时，对LLC 变换器进行FHA 分析，其等效电路如图2（b ）所示。因此，电路的的等效分布电容参数C eq 可近似为
C eq ≈C p ＋２×（C ｓ＋C ｊ
）n
２
（1）
式中，n 为LLC 变换器的变压器原副边匝比。
考虑分布电容时的LLC 电路输出电压增益为
M =
1
1+1k
1-1
f n 2
≈≈
+C n （1-f n 2）+Q f n -1
f n
2
≈≈≈≈
2
姨
（2）
式中：k 为电感系数，k =L ｍL ｒ
，L m 为励磁电感，L r 为谐
振电感；Q 为品质因数，Q =ωL ｒR ａｃ
；ω为角频率，R ac 为
LLC 的FHA 等效负载阻抗；f n 为归一化频率，f n =f ｓｗf ｒ
，
f sw 为开关频率，f r 为谐振频率；C n
为归一化电
容，C n =C ｅｑC ｒ
，C r 为谐振电容。
以k 取5为例，通过Mathcad 软件，得到不同
C eq 时的空载增益曲线，如图3所示。理想情况下
（C eq ＝0），当LLC 谐振变换器的工作频率增加，其电压增益减小，尤其当工作频率大于谐振频率f r 时，电压增益的减小变得缓慢。实际情况下，由上述分析及图3可知，由于变压器和二极管寄生分布电容的存在，使得输出电压增益曲线新增加了一个谐振点，且随着分布电容C eq 的增大，LLC 在空载下的增益曲线失真现象越为严重。因此，分布电容的存在是LLC 变换器工作在轻载或空载时出现电压失控现象的重要因素之一。
U in
C ps C j Q 2
Q 2D q1C q1C r L r D q2
C q2C p
L m N p
N s
N s
C s
C s C f
R L
C j
D 1
D 2
n ∶1∶1
U in （t ）
C r
L r
L m R ac
C eq
（b ）考虑分布电容的FHA 等效电路
图2考虑分布电容的LLC 电路和FHA 等效模型
（a ）考虑分布电容的LLC 谐振变换器
图1输出电压增益曲线
2.52.01.51.00.5f 10.25
0.50
0.75 1.00
1.25 1.50
100%负载
10%负载f sw /f r
f 2
M 1M 2M
76
第3期
2LLC 轻载工作状态下的解决对策
为了解决LLC 变换器在轻载下输出电压增益曲线失真的问题，有以下4种方法加以解决。
2．1降低电路中的分布电容
高频变压器的分布电容由变压器结构、材料以
及绕组布局决定，在高频条件下不容忽视，其主要由匝间电容和层间电容组成。变压器初级侧分布电容和次级侧分布电容可以采用阻抗分析仪扫描出阻抗曲线，然后通过谐振法测量计算而得［2］
。对于绕线式的绕组，文献［3］中以双层绕组为例阐述了
4种不同的绕法来验证其绕组分布电容的大小。对
于条状铜箔的绕组，由于线圈在紧密绕制时，铜箔的宽度比匝间间距要大的多，其分布电容通常可等效为平行极板电容模型，计算公式为
C =εｒε０S ２πk ０d
（3）
式中：εr 为介质相对介电常数；ε0为真空介电常数；
S 为极板的正对面积；k 0为静电力常量；d 为两极板
的距离。
因此，可以通过增加层间绝缘胶带或厚度，或选取较小介电常数的绝缘材料，降低分布电容，但是该方法有绝缘材料和工艺控制的限制［2］。
通过上述方法，在高频变压器设计阶段有所注意，就可以在一定程度上降低分布电容，但由于其操作复杂，并且也不能完全消除分布电容的影响。因此，需要寻其他简单易行的方法来解决。
2．2增大电感系数k 值
寄生谐振频率由谐振电感L r 和寄生分布电容
C eq 谐振而得。不管是减小L r 或C eq ，均可使寄生谐
振频率增大。文献［4］列举了一个LLC 参数设计实例，如表1所示。从表1可以得到，在相同的谐振频率和励磁电感条件下，若增大电感系数k 值，其对应的谐振电感L r 降低，从而使得寄生谐振频率在图3所示的空载增益曲线上向右移动。即，电路
在轻载或空载工作条件下，开关频率与寄生谐振频率之间的范围变宽，从而可有效地抑制LLC 谐振变换器在轻载时输出电压增大的现象。
2．3增加假负载
增加假负载是抑制LLC 在轻载下电压增益曲线失真最简单的方法，因为随着负载的增大，寄生电容的作用将减弱，使LLC 谐振变换器在轻载工作条件下所需的开关频率被限制在增益失真的谐振频率之前。然而，这并不适用于一些待机要求严格或者高效率的应用场合，因为额外增加负载，不仅降低变换器的转换效率，也增大了变换器的体积。
2．4间歇式控制模式（Burst mode ）
为了解决LLC 谐振变换器在轻载时输出电压失控变高现象，可以采取间歇式控制模式，即Burst 模式：在电路进行谐振时，关断桥臂驱动使得谐振停止一段时间之后，再重新谐振。Burst 模式控制技术通常用于PWM 型变换器，它在稳定变换器输出电压的同时，也可以提高轻载时的电路转换效率。但由于其驱动信号时有时无，会引入一些低频干扰，使输出电压纹波变大以及负载突变时输出电压出现较大阶跃。对于LLC 谐振型变换器，Burst 模式仍然适用，其相应的优缺点也相应存在。
对于LLC 变换器，Burst 控制模式的实现可以通过以下两步来实现。
首先，通过负载电流检测电路，判断变换器是否进入轻载运行范围。若非轻载运行，则让变换器工作于正常闭环变频模式；若为轻载运行，则让电
表1k ＝4和k ＝10时的LLC 关键参数实例
k
410
谐振频率f sw /kHz
谐振电感L r /μH
谐振电容C r /nF
100156.116.2100
75.36
33.6
图3考虑分布电容的电压增益曲线
3
21
00.1
110
C eq =0，Q =0
C eq =100pF ，Q =0C eq =200pF ，Q =0C eq =500pF ，Q =0
f sw /f r
增益
俞珊，等：LLC 谐振变换器轻载下电压增益失真的研究77
总第53期
电源学报
路进入Burst 控制模式。电流检测电路采用滞环控制方式，避免采用单点比较器检测电路使变换器不停地在正常模式和Burst 模式之间切换，最终导致电路的不稳定。
其次，在确认变换器进入轻载运行范围后，对输出电压进行检测，如图4所示。当输出电压V o 从大变小至V o＿min 时，则变换器以恒定频率f Burst 的驱动信号驱动开关管；当输出电压V o 上升至V o＿max 时，关断开关管的驱动信号直到输出电压V o 减小至
V o＿min 时，如此反复。
3实验验证
本文完成了一台输出为12V /20A ，采用数字控高频变压器参数
制的LLC 谐振变换器样机。其基本参数为：V in 为
360～420V ，输出为12V /20A ，f r ＝105kHz ，L r ＝84μH ，C r ＝30nF ，原边功率开关管采用SPP15N60CFD ，
副边整流二极管采用MBR60L45CTG ，数字控制芯片为dsPIC33FJ16GS502。
若不考虑LLC 变换器在空载或轻载下的输出电压增益失真问题，则变换器会因为没有合适的闭环工作频率点，在开机软起阶段接近结束的时候发生输出过压保护的问题。因此，基于上述分析，在硬件设计上采用较大的电感系数k ＝10，同时考虑到样机生产过程中的器件参数误差，采用“10％负载以下Burst 控制模式”的控制策略，实现了样机的正常工作，并在一定程度上提高了轻载效率。
图5给出了LLC 变换器工作于V in ＝400V 时的空载起动波形。从实验波形可以得到，在LLC 变换器空载起动过程中，输出电压平稳上升，无明显
的过冲现象，也无浪涌电流冲击，具有良好的软起动特性。
图6（a ）、图6（b ）分别给出了LLC 变换器工作于V in ＝400V ，10％负载时采用PI 控制策略以及
Burst 控制策略的输出电压稳态波形。
表2列出了LLC 变换器在V in ＝400V ，带10％负载时分别采用PI 控制和Burst 控制时的转换效率和纹波系数。实验数据表明，LLC 变换器轻载采用Burst 控制模式，可显著提高LLC 变换器轻载下的转换效率：10％载效率由86．78％上升到92．45％。这是由于对于LLC 谐振变换器而言，为了实现全范围的软开关，励磁电感一般都较小，使得在轻载时，该励磁电流在电路中环流，从而大大降低轻载时的转换效率。然而，纹波系数对电源变换器而言，也是一个很重要的电气参数。通过实验数据可得，采用PI 控制模式的输出电压纹波系数满足设计要求，但是转换效率较低；而当电路采用Burst 控制模式时，可显著提高轻载效率，不过会略微牺牲纹波系数。
图4定频模式的Burst 驱动信号示意
V o V o_max V o_min
t t
f Burst f 周期
图5V in ＝400V 时的空载启动波形
（a ）PI 控制策略
（b ）Burst 控制策略
图6LLC 变换器采用PI 控制策略以及Burst 控制策略的
输出电压稳态波形（V in ＝400V ，10％负载）
V o
I o
t （5ms/格）
I o （1A /格），
V o （5V /格）
V o I o
t （200ms/格）
I o （5A /格），
V o （2V /格）
V o I o
t （5ms/格）
I o （5A /格），
V o （2V /格）
78
第3期soft -switching inverter with minimum components ［J ］. Industrial Electronics,2011,58（6）:225819-2264.
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作者简介：蒋
晨（1990-），通信作者，女，硕
士研究生，电气工程，E-mail:bimuKiko
@126 ；
薛士龙（1964-），男，博士，教授，船舶电气自动化，E-mail:slxue@shmtu.
edu ；
耿
攀（1984-），男，博士，讲师，
电力电子与电力传动，E-mail:76905
**********；
李
帆（1989-），男，硕士研究生，
电力电子与电力传动，E-mail:1454527
**********。
蒋
晨
（上接第74页）
4结语
本文通过对LLC 变换器工作在轻载状态下的
输出电压增益失真现象的分析研究，提供4种方案加以改进，并通过制作样机验证了分析设计的合理性与可行性。同时，实验结果表明，采用上述方法可以有效地提高LLC 变换器轻载运行的稳定性与可靠性。参考文献：
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表2V in ＝400V ，带10％负载时的转换效率以及纹波系数
控制策略
效率／％纹波系数ＰＩ８６．７８０．４３Ｂｕｒｓｔ
９２．４５
２．２１
作者简介：俞
珊（1984-），通信作者，女，硕
士，助教，研究方向为电力电子高频磁技术，E-mail ：***************；
董纪清（1974-），女，博士，副教授，研究方向为电力电子高频磁技术及电磁干扰抑制技术，E -mail ：dong
************** ；
陈海堤（1984-），男，本科，工程师，主要从事电力系统运行与检测技术研究，E-mail ：*****************。
俞
珊
俞珊，等：LLC 谐振变换器轻载下电压增益失真的研究
79
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