磁集成LLC谐振变换器的分析和设计.pdf

摘要

在全球气候变暖的背景下，近年来各国政府出台了一系列关于优化和调整能源结

构的政策，推动绿色能源的使用和新能源技术的发展。各类电力电子设备的高效率和

高功率密度设计对实现节能减排和环境保护具有深远的影响，也一直是电力电子学科

的追求目标和发展趋势。磁集成LLC谐振变换器的软开关特性和较少的磁性元件数量

能有效提高变换器的效率和功率密度，因此成为了兼顾变换器性能和成本的选择。本

论文以磁集成LLC谐振变换器为研究对象，主要围绕磁集成LLC谐振变换器的理论分

析和工程设计展开研究。

绪论部分论述了磁集成LLC谐振变换器的发展历程和研究现状。对比了谐振类变

换器拓扑的工作特性；回顾了LLC谐振变换器的相关分析方法和原理；介绍了LLC谐

振变换器小信号建模方法的发展与现状；分析了磁集成变压器的实现方式和结构特点。

正文部分，第二章中对比了传统结构和分立电容结构的半桥式LLC谐振变换器拓

扑，基于基波近似法(FirstHarmonicApproximationMethod,FHA)详细推导了LLC谐振

变换器的归一化电压增益函数、归一化输入阻抗函数和临界增益函数；分析了LLC谐

振变换器的运行状态对死区时间的影响，给出了归一化死区时间函数的推导过程；详

细分析了分立电容结构半桥式LLC谐振变换器的工作模态；提出了一种利用漏感的基

于PCB(PrintedCircuitBoard)平面绕组的磁集成变压器结构，并推导了仅与变压器结构

和尺寸相关的谐振电感表达式，实现了对磁集成变压器中谐振电感的设计。

第三章中给出了基于所提PCB平面绕组磁集成变压器结构的LLC谐振变换器的详

细设计过程；对关键元器件进行了设计和选型，并分析了变换器损耗；给出了变换器

的瞬态仿真波形，对中心抽头结构中的漏感不平衡问题进行了分析，并通过交流小信

号仿真对LLC谐振变换器的降阶小信号模型进行了验证。

第四章中基于模拟控制器UCC25600、模拟控制器UCC25640x和数字控制器

UCD3138x给出了系统的硬件方案；搭建了实验样机，对关键波形进行了测试，验证了

硬件方案的可行性；测试了样机在不同工况下实现零电压开通(ZeroVoltageSwitching,

ZVS)所需的最小死区时间，验证了所提归一化死区时间函数的合理性；对中心抽头结

构变压器中的漏感不平衡问题进行了验证，并测试了样机效率。

I

本文主要分析了LLC谐振变换器的运行状态对死区时间的影响，基于所提归一化

死区时间函数，给出了死区时间的计算方法，确保了LLC谐振变换器在全运行范围内

可以实现初级开关管的零电压开通(ZVS)；对分立电容结构半桥式LLC谐振变换器进行

了详细的模态分析，并着重分析了变换器的零电压开通(ZVS)过程；基于所提磁集成变

压器的谐振电感表达式，简化了磁集成变压器的设计难度，并且利用所得PCB平面绕

组磁集成变压器，有效解决了中心抽头结构中变压器的漏感不平衡问题；搭建了实验

平台并制定了实验方案，验证了硬件方案的可行性和所提理论的有效性。

关键词：LLC谐振变换器；基波近似法；软开关；死区时间；磁集成；平面变压器；

小信号分析

II

Abstract

Inthecontextofglobalwarming,governmentsinrecentyearshaveissuedaseriesof

policiesonenergystructureoptimizationandadjustmenttopromotetheuseofgreenenergy

andthedevelopmentofnewenergytechnologies.Therealizationofhigh-efficiencyandhigh-

powerdensitydesignofvariouspowerelectronicequipmenthasaprofoundimpacton