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半桥LLC谐振变换器的参数优化设计
钟运平，程小华，张勇，程声烽
（华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640）
摘要：针对半桥LLC谐振变换器工作原理分析复杂，参数设计直观性较差等问题，本文根据谐振电流、励磁电流的变化关系，简化了半桥LLC谐振变换器工作原理的分析。由变换器的等效电路模型分析了其电压增益、阻抗特性，并通过相应的电压增益曲线、阻抗特性曲线直观地分析了各参数间相互关系，给出了参数的优化设计步骤，最后设计了180W/24V驱动电源，仿真及实验结果均达到预期效果。
关键词： LLC谐振变换器；电压增益；阻抗特性；优化设计
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：
Parameters Optimal Design of the half-bridge LLC resonant
converter ZHONG Yun-ping，CHENG Xiao-hua，ZHANG Yong，CHENG Sheng-feng School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510460，China Abstract: To solve those problems such as difficulty in analysis working principle of half-bridge LLC resonant converter，Parameter design is not intuitive.According to the relationship between resonance current and the excitation current，This paper make the analysis of the working principle of the resonant converter more simple and clear.Voltage gain and impedance characteristics was analyzed according to equivalent model, and the mutual relationship between the parameters was analyzed，parameter optimization design steps was given through corresponding voltage gain curve and Impedance characteristic curve.In the last of the paper，180W/24V drive power was designed in the last of the paper.Both simulation and experimental results achieves the desired effect.Key words: LLC resonant converter；Voltage gain； Impedance characteristics；Optimal design 1引言
随着电子设备对电源变换器的高功率密度、高效率要求的提高，开关频率的提高面临着效率降低的问题。为提高效率，人们提出软开关技术。以电感和电容为基本变换单元的LLC谐振变换器是软开关技术的一种。在谐振变换器中，开关管开通前，使其两端电压下降到零，即实现ZVS开通；开关管关断前，使其流过的电流下降到零，即实现ZCS关断，从而实现降低开关损耗的目的。
半桥LLC谐振变换器在全负载范围内原边开关管均能实现ZVS开通，且开关管关断电流低，关断损耗小，输出整流二极管可实现ZCS关断，工作频率高，电磁干扰小，变压器的励磁电感和漏感能得到充分的利用。正是由于这些优点，半桥LLC谐振变换器成为近年来研究的热点[1-3]。
半桥LLC谐振变换器电路如图1所示，谐振电感Lr、励磁电感Lm、谐振电容Cr三者串联构成LLC谐振变换器，励磁电感Lm与负载并联。由于在工程设计中半桥LLC谐振变换器涉及变量较多，优化设计过程中各参数间关系的直观性差，而谐振参数能否达到最优化，关系到变换器的效率、带载能力、稳定性等问题。本文针这些问题提出了一种结合相关曲线图的参数优化设计方法。
收稿日期：2009-03-09
基金项目：河北省自然科学基金资助项目（B2004000095）作者通信：E-mail:guoyanhuo@yahoo.com.cn输入开关网络谐振变换理想变压器整流滤波负载Q1Ds1Cs1iLrLrCrVinSiLmD1.NpLmip.N.N:1:1s1iD1CNs2iD2D2+RoUo-Q2Ds2Cs2
图1 半桥LLC谐振变换器
2实验部分
2.1仪器和试剂
Y-2000A X射线衍射仪，WKVSM振动样品磁强计，马弗炉，DY-20压片机，电磁搅拌器，pHS-3酸度计，ThermoNicolet380傅立叶红外光谱仪，GZX-9070 MBE数显鼓风干燥箱。
MnSO4·H2O(分析纯)，SnCl2·2H2O(分析纯)，H2O2(30%)(分析纯)，NaOH(分析纯)。2.2 Sn1-xMnxO2系列化合物合成按Sn1-xMnxO2化学计量比称取相应量的SnCl2·2H2O和MnSO4·H2O溶解在蒸馏水中，用NaOH溶液调节溶液的pH值为5.8，搅拌加热3h，其中加入5%的H2O2将Sn2+氧化为Sn4+，继续加热蒸发，使溶液浓缩然后进行抽滤洗涤至pH为7，并检验滤液中无Cl-离子，然后将滤饼在烘箱中干燥。将得到的样品粉末研磨压片置于马弗炉中800℃烧结8h，然后将烧结物再研磨压片1000℃烧结8h。
3结果与讨论
图1是系列样品Sn1-xMnxO2（x=0.03、0.05、0.08、0.10）的XRD。分析图谱的衍射峰可知为金红石型的晶体结构，属四方晶系，空间群为P42/mnm[JPDF#71-0652]。由图1可以看出随锰离子掺入量x由0.03增至0.10无杂质相出现，并且物质的晶格常数a随着锰离子增加逐渐减小，而晶格常数c随锰离子的掺入保持不变，如图2所示。这可能是锰离子存在择优占居a-b平面造成的结果。同时晶格常数a随着锰离子含量增加而减小幅度较大，说明掺入到SnO2锰离子的半径比锡离子小很多，从锰离子六配位和相关价态[10]可以推测，掺入
图1
Sn1-xMnxO2系列化合物的XRD谱
到SnO2中的锰离子是Mn4+（因为其半径为0.0530nm，而Sn4+的离子半径0.0690nm）。为了说明这一点我们测定了SnO2、MnO2、MnO红外谱，并与Sn0.9Mn0.1O2的红外谱进行对比，如图3所示，比较这些材料的红外谱可以看出，样品Sn0.9Mn0.1O2的红外谱峰形和趋势是与
图2 Sn1-xMnxO2晶格常数随锰含量的变化；插图：晶胞体积随锰含量的变化
SnO2和MnO2的红外谱叠加后的峰形和趋势一致，说明在SnO2中掺入的锰的氧化数是+4。同时也可以看出，样品Sn0.9Mn0.1O2的红外谱不是SnO2和MnO2的红外谱的简单叠加，说明氧化数为+4的锰离子掺入到SnO2的晶格中，并且它们之间有相互作用与影响。Sn1-xMnxO2
图3 Sn0.9Mn0.1O2、MnO2、MnO和SnO2红外光谱的晶胞体积随着锰含量的变化如图2中的插图所示，与晶格常数a随锰离子含量的变化一致。根据衍射峰的半高宽，利用Sherrer公式D=0.89λ/βcosθ估算样品的晶粒大小，由样品(101)晶面得到其平均尺寸在28~42nm之间。化合物的晶粒尺寸随着锰掺杂量的增加而增大。
图4是Sn0.97Mn0.03O2化合物的红外光谱，插图是该系列化合物的红外谱。由图可以看
图4 Sn0.97Mn0.03O2化合物的IR谱；插图：Sn1-xMnxO2系列化合物的IR谱
出，在400-1100cm-1范围内出现了三个吸收峰，其中623cm-1处的峰最强，在此强峰处的附近582 cm-1有一肩峰都可归属为Sn-O键振动吸收峰[11,12]，而1050 cm-1处的吸收峰归属为Sn-O-Sn键的伸缩振动峰[13]。
图5是Sn1-xMnxO2系列化合物的热磁曲线.由图可以看出随锰掺杂量增大样品的磁性增
图5 Sn1-xMnxO2系列化合物热磁曲线
强，而锰的掺杂量为0.10其磁性稍有降低。将其80K的磁化强度换算为锰离子的自旋磁矩，锰离子的自旋磁矩随锰含量增加依次为0.732，0.634，0.662，0.536μB。材料自旋磁矩随锰含量增加而降低的原因可能是一方面由于SnO2的带隙较宽，热激发到导带上的电子较少，以这些电子作为媒介产生的磁交换作用较弱，随着锰离子的掺入，热激发到导带上的电子数目减少而需要通过这些电子作为媒介的磁交换作用的磁性离子增多，从而磁性随锰含量的增加而降低。另一方面可能是四价锰离子不是均匀的替代锡离子而是出现了锰氧八面体直接相邻状态。由于MnO6八面体处在直接相邻状态很可能是反铁磁相互作用，随着锰离子掺入量的增加MnO6出现直接相邻状态可能性增大，所以其磁矩随着锰离子含量的增加而减小。结论
利用XRD、IR和VSM研究了Sn1-xMnxO2系列化合物的晶体结构和磁学性能，结果表明在SnO2中锰的掺杂量高达0.10时，在误差范围内X射线仍未检出第二相，说明Mn4+在SnO2中有较大的固溶度，并且存在择优占居a-b平面上的锡离子的位置。从X射线衍射得到的晶粒尺寸随着锰含量的增加而增大，说明Mn4+含量对结晶颗粒大小有一定的影响。随锰离子掺入量的增加样品的磁性增加，每个Mn4+的自旋磁矩随锰离子含量的增加而降低，可能是SnO2绝缘体的带隙较宽，热激发到导带上的电子数目较少和Mn4+替代Sn4+晶位不是均匀替代而是出现了锰氧八面体直接相邻状态的原因。
参考文献：
[1] Li L P, Chen L J, Qihe R M, et al.Magnetic croover of NiO nanocrystals at room temperature[J].Appl Phys Lett, 2006, 89(13): 134102-134104.[2] Kolesnik S, Dabrowski B, Mais J.Structural and magnetic properties of transition metal substituted ZnO[J].J Appl Phys, 2004, 95(5): 2582-2586.[3] Bouloudenine M, Viart N, Colis S, et al.Antiferromagnetism in bulk Zn1–xCoxO magnetic semiconductors prepared by the coprecipitation technique[J].Appl Phys Lett, 2005, 87(5): 052501-052503.[4] Deka S, Joy P A, Synthesis and magnetic properties of Mn doped ZnO nanowires[J].Solid State Commun, 2007, 142(4): 190-194.[5] Radovanovic P V, Gamelin D R.High-temperature ferromagnetism in Ni2+-doped ZnO aggregates prepared from colloidal diluted magnetic semiconductor quantum dots[J].Phys Rev Lett, 2003, 91(15): 157202(1-4).[6] Wu J J, Liu S C, Yang M H.Room-temperature ferromagnetism in well-aligned Zn1–xCoxO nanorods[J].Appl Phys Lett, 2004, 85(6): 1027-1029.[7] Ronning C, Gao P X, Ding Y, et al.Optically detected heavy-and light-hole anti-croing in GaAs quantum wells under pulsed magnetic fields[J].Appl Phys Lett, 2004, 84(5): 783-785.[8] Makhlouf S A, Parker F T, Spada F E, et al.Magnetic anomalies in NiO nanoparticles[J].J Appl Phys, 1997, 81(8): 5561-5563.[9] Ichiyanagi Y, Wakabayashi N, Yamazaki J, et al.Magnetic properties of NiO nanoparticles[J] Physica B, 2003, 329-333(Part 2): 862-863.[10] 梁敬魁.相图与相结构（下册）[M].北京：科学出版社，1993.412-413.[11] 石娟.溶胶水热法制备纳米SnO2气敏材料的研究[J].天津工业大学学报, 2004, 23(3): 39-41.[12] 石娟，吴世华，张守民，等.热解法制备纳米SnO2及其气敏性能研究[J].高等学校化学学报, 2004, 25(4): 607-609.[13] 曾玉凤，刘自立，秦祖赠，等.臭氧在SnO2表面吸附的光谱研究[J].光谱学与光谱分析，2008, 28(5): 1035-1038.作者简介：霍国燕（1964-），男，河北平山人，博士，教授，主要从事无机金属氧化物信息功能材料的研究。
