基于UC3863控制的LLC諧振變換器的設計及仿真

張志成，尹 斌，郭首金

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

隨著通信產品的小型化發展，對開關電源的性能要求方面也越來越高，促使電源向高頻、高可靠、低耗和小型化的趨勢發展，同時促進開關電源在高新技術領域更加廣泛的應用。在開關電源向高頻化和小型化的發展過程中，其中開關損耗問題是制約其發展的一個重要因素[1]，軟開關技術能夠較好的解決開關損耗的問題。

LLC諧振變換器以其拓撲結構簡單，可以實現初級開關管零電壓開通和次級輸出整流管的零電流關斷[2]，開關損耗低、可高頻化，副邊整流二極管電壓應力低，在高輸出電壓應用情況下可以實現較高的效率等優點成為近年來的一個研究熱點。但是LLC諧振變換器的拓撲在其實際的應用過程中還存在著許多問題，當出現電路啟動、負載過流或短路情況時如何限制電路中的電流以防止電路損壞就是其中的一個主要問題[3]。在文獻[3]中提出了一種具有自限流功能的新型拓撲結構以解決此問題。本文對此拓撲進行研究，并以此設計了一個具有自限流功能的LLC諧振電源，并用軟件對其電路進行了仿真。

1 LLC諧振通信電源的電路組成

LLC諧振變換器的電路主要由整流橋、PFC電路、DC/DC變換、輸出整流濾波電路以及控制反饋保護回路等環節組成，是一個完整的閉合系統。LLC諧振電源的系統圖如圖1所示。

圖1 LLC諧振開關電源原理框圖Fig.1 Structure of LLC resonant converter

其中PFC電路是由UC3854芯片為核心控制芯片構成的經典電路，在整流電路后加入LC諧振，輸出直流電壓穩定在400 V。DC/DC變換電路采用LLC諧振電路，利用電路發生諧振時，電流或電壓周期性過零點，使得開關器件在零電壓或零電流條件下開通或關斷，從而實現軟開關，達到降低開關損耗的目的[4]。

2 控制電芯片內部結構

圖2所示為控制芯片UC3863的內部結構框圖。查其數據手冊可知，UC383是一款零電壓準諧振變換器變頻控制芯片，可以產生最小10 kHz到最大1 MHz之間的可變的頻率信號。

芯片UC3863內部結構如圖2所示。主要包括一個誤差放大器（E/A），一個壓控振蕩器（VCO）產生最大、最小的可變頻率，一個過零檢測比較器的單穩定時發生器（OneShot），兩個輸出驅動器，一個5 V偏置電壓發生器，一個欠壓鎖定電路（UVLO）以及故障軟啟動電路。 欠壓鎖定（UVLO）的作用是Vcc電壓低于UVLO的上限值時芯片輸出為低電平。只有超過上限值時，5 V電源才會工作提供電源輸出。故障軟啟動電路具有軟啟動和重啟延時的功能，以及提供了一個精密參考，可設定VCO的最大、最小頻率分別為

圖2 UC3863內部結構框圖Fig.2 Structure of UC3863

兩路推拉驅動電流的峰值為1 A，具有過零檢測、死區設置、欠壓封鎖等功能。UC3863兩路輸出的差值經變壓器驅動功率開關管[5-6]。

3 主電路及自限流功能的實現

圖3所示為LLC諧振變換器主電路圖。其構成主要有功率管S1和S2；變壓器T1；諧振元件，包括諧振電容Cr，電感Lr和激磁電感Lm；半橋全波整流二極管D1和D2以及輸出電容 CO。

圖3 具有自限流動功能的LLC諧振變換器原理圖Fig.3 Structure of LLC resonalt converter withself current-limition function

由上圖可知，具有自限流功能的LLC諧振變換器與傳統的LLC變換器相比，僅多了1個變壓器T2和2個二極管D3及D4，構成自限流電路。其工作原理為：在正常工作情況下，自限流電路不起作用，電路和傳統的諧振電路工作原理相同。當過流和短路情況出現時，諧振電容兩端的電壓升高，致使變壓器T2的電壓隨之升高。當變壓器T2副端電壓Vo超過輸出電壓時，自限流電路二極管D3、D4交替導通，從而使諧振電容電壓被鉗位，此時諧振電流也隨之被鉗位。當此諧振變換器短路工作時，特別是在控制上結合變頻方法時，當頻率高于諧振頻率時比傳統的LLC諧振變換器短路電流要小。在控制電路中引入限流環，當電路中突然出現過流情況時，限流環起作用使輸出電壓降低，從而可以進一步限制電路中電流的上升[3]。

4 主要元件參數計算

輸入電壓范圍：Vminin=255 V，Vmaxin=420 V；額定輸入電壓：Vnomin=400 V。輸出電壓電流：Vo=50 V，Io=20 A；輸出功率：Po=1 kW；諧振頻率fr=100 kHz。

1）理論變壓比

其中Vd為二極管壓降

2）最高、最低輸入電壓增益

4）計算品質因數Q，開關最大頻率fmax、最小頻率fmin以及諧振網絡主要參數

設定k=3

3）計算輸出負載電阻和等效負載阻抗

根據計算，選定的參數如下：變壓器比16:4:4；開關管Q1、Q2：ixfk44n50；輸出整流管 D1～D4：ixfk44n50。

5 半橋諧振開關電源的實現

圖4所示為以UC3854芯片為核心控制芯片的PFC電路圖，其交流輸入范圍為150～250 V，額定交流輸入220 V，額定直流輸出400 V。

圖5所示為LLC諧振開關電源工作電路圖。電路的輸出電壓經采樣后接到芯片IN端，輸出電流經過電流反饋環采樣，與lm393的給定電壓比較后接入芯片Fault端。將芯片（E/A）的負端接到芯片Soft-Ref腳。當電路中諧振電流過大時，lm393輸出高電平，當芯片Fault腳電壓超過3 V從而使芯片輸出低電平，即芯片被關斷。同時，電路中諧振電流上升使自限流電路開始工作，二極管D3和D4交替導通，諧振電容電壓被鉗位，從而使諧振電流被鉗位，芯片重新啟動。

圖4 PFC電路Fig.4 PFC Circuit

圖5 LLC諧振變換器工作電路圖Fig.5 Operating circuit diagram of LLC resonant converter

6 電路仿真波形及分析

根據以上方案，設計了功率為1 kW用于通信電源的LLC諧振開關電源。其規格參數如下：交流150～250 V輸入，輸出直流電壓為50 V，功率1 kW。以此樣機為基準，用Saber軟件對PFC電路及LLC諧振變換主電路進行仿真。

1）PFC電路的仿真波形

交流輸入電壓為150 V、220 V及250 V時的PFC電路直流輸出電壓波形為圖6所示，由此波形可以看出，PFC電路能夠穩定輸出直流電壓。

圖6 PFC電路在不同交流輸入電壓下的直流輸出電壓波形Fig.6 DC output voltage waveform of PFC Circuit in different ac input voltage

2）LLC諧振主電路仿真波形

圖7所示是電路分別在額定負載和空載下驅動電壓、諧振電壓、電流波形。由波形圖可知，在負載發生變化時驅動電壓沒有發生變化；當輸出滿載時，變換器工作在諧振點附近，諧振電感和諧振電容諧振，勵磁電感不參與諧振，諧振電流波形近似半個正弦波；當輸出負載為空載時，諧振電流呈現三角波，該電流為勵磁電感電流，它為主電路開關管實現ZVS創造條件。

圖8所示為額定輸入400 V時，在短路情況下測得的主變壓器[7]原邊電流波形和諧振電容兩邊電壓波形。在短路時，諧振電壓以及原邊電流穩定自限流電路發揮作用。

圖8 額定輸入電壓400 V短路情況下主要波形Fig.8 Main waveforms under short-circuit with rated input voltage 400 V

7 結 論

介紹了基于UC3863控制的LLC諧振變換器。分析了整個電路的工作原理以及自限流功能的實現，其主開關管和整流管均能實現軟開關，減少了開關損耗。最后通過仿真分析，驗證了此設計的可行性。

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