適用于寬電壓恒流輸出的半橋LLC諧振變換器研究

孫前剛，潘李云，劉 剛

（中國船舶集團公司第七二三研究所，江蘇揚州 225001）

0 引言

半橋LLC諧振變換器作為一種比較新型的軟開關(guān)技術(shù)，能實現(xiàn)原邊開關(guān)管的零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching，ZVS）和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷（Zero Current Switching，ZCS），以其結(jié)構(gòu)簡單、效率高、功率密度大等特點在開關(guān)電源領(lǐng)域得到了廣泛運用[1-2]。

在輸出電流大的電源中，為了進一步提高變換器效率，使用MOSFET代替整流二極管，由于MOSFET低至僅僅幾毫歐的導(dǎo)通阻抗，遠(yuǎn)小于整流二極管的導(dǎo)通壓降，從而降低副邊整流損耗，同步整流技術(shù)的引入使得開關(guān)電源的效率大大提升[3-4]。

同步整流管的外驅(qū)動方式通常需要傳感器采集原邊信號，所需元器件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了控制電路可靠性[5-6]。智能同步整流驅(qū)動芯片檢測的是次級開關(guān)管漏極電壓，完全不依賴初級信號，所需元器件數(shù)量少，響應(yīng)速度快，采用智能同步整流驅(qū)動芯片的驅(qū)動方式逐漸應(yīng)用于高功率密度和高效率要求的電源中。

本文針對恒流寬電壓輸出的應(yīng)用需求，對半橋LLC諧振變換器進行研究。首先對變換器的工作原理進行了分析，隨后給出變換器的工作過程波形；然后分析了半橋LLC諧振變換器的增益特性，給出了參數(shù)k和Q變化對電壓增益特性的影響；最后給出了基于LLC控制芯片L6599和同步整流芯片TEA1795AT的設(shè)計過程，并搭建仿真電路對硬件參數(shù)進行了驗證，搭建了430 V輸入36 V/240 W輸出的實驗樣機，測試結(jié)果驗證了設(shè)計方案的合理性。

1 電路工作原理

圖1所示為帶同步整流的半橋LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，諧振網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)諧振電感Lr、串聯(lián)諧振電容Cr和變壓器等效勵磁電感Lm組成，通過諧振腔將能量傳輸?shù)阶儔浩鞫蝹?cè)，從而達(dá)到改變開關(guān)頻率實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的[7]。

圖1 帶同步整流的半橋LLC諧振變換器拓?fù)?/p>

針對寬電壓恒流輸出的應(yīng)用需求，變換器工作在fs＞fr區(qū)間電壓增益曲線斜率較大，電壓增益可調(diào)節(jié)范圍寬，可滿足恒流寬電壓輸出設(shè)計需求。

2 電路工作過程分析

下面對變換器一個開關(guān)周期內(nèi)的4個模態(tài)進行簡要分析，變換器各個關(guān)鍵點的工作波形如圖2所示。工作過程分析如圖3所示。

圖2 半橋LLC諧振變換器主要工作波形

圖3 半橋LLC諧振變換器工作過程分析

（1）工作狀態(tài)1（t0＜t＜t1）

t0時刻，開關(guān)管Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)。變壓器等效勵磁電感Lm兩端電壓被輸出電壓正向鉗位在NVO，勵磁電流iLm從負(fù)向峰值開始線性增大，串聯(lián)諧振電感Lr和串聯(lián)諧振電容Cr諧振，諧振電流iLr從負(fù)值以正弦波形式增大，在此階段內(nèi)，諧振電流iLr大于勵磁電流iLm，其差值產(chǎn)生的剩余能量通過變壓器經(jīng)SR1輸出到負(fù)載側(cè)。

（2）工作狀態(tài)2（t1＜t＜t2）

t1時刻，開關(guān)管Q1關(guān)斷，此時Q2關(guān)斷，Q1和Q2的結(jié)電容被充放電，諧振電流iLr開始下降，VA電壓開始下降，至t2時刻降至0。在此階段內(nèi)，諧振電流iLr大于勵磁電流iLm，仍有能量從原邊通過變壓器經(jīng)SR1輸出到負(fù)載側(cè)。

（3）工作狀態(tài)3（t2＜t＜t3）

t2時刻，Q2的輸出電容放電至Q2的DS電壓為0，導(dǎo)通Q2的體二極管，為Q2的零電壓開通創(chuàng)造條件。在此階段內(nèi)，諧振電流iLr大于勵磁電流iLm，仍有能量從原邊通過變壓器經(jīng)SR1輸出到負(fù)載側(cè)。諧振電流iLr繼續(xù)下降。

（4）工作狀態(tài)4（t3＜t＜t4）

t3時刻，Q2開通，此時Q2的DS電壓為0，Q2零電壓開通。諧振電流iLr大于勵磁電流iLm，仍有能量從原邊通過變壓器經(jīng)SR1輸出到負(fù)載側(cè)。t4時刻諧振電流iLr等于勵磁電流iLm，SR1開始換流至SR2。

3 電路參數(shù)分析

如圖4（a）所示，電壓增益與品質(zhì)因數(shù)Q成反比，因而在輸入電壓最低且滿載時電壓增益應(yīng)滿足要求。如圖4（b）所示，k越小，增益曲線越陡，頻率變化范圍越小，有利于磁性元件的優(yōu)化設(shè)計；k越大，變壓器的勵磁電感越大，諧振電流越小，MOSFET的導(dǎo)通損耗越小，因而k的取值需要綜合考慮。

圖4 參數(shù)k、Q變化對電壓增益特性的影響

4 半橋LLC諧振變換器設(shè)計

4.1 主電路關(guān)鍵參數(shù)

選取諧振頻率fr＝50 kHz，主電路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計過程如下[11-12]。

（1）計算變壓器變比n

4.2 控制電路關(guān)鍵參數(shù)

4.2.1 半橋LLC諧振變換器控制器

L6599是一款專門為諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的控制器。工作于50%互補性占空比下，插入固定的死區(qū)時間，以保證高頻軟開關(guān)工作，通過調(diào)節(jié)變換器的工作頻率實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。控制電路的原理如圖5所示。

圖5 L6599控制電路原理

（1）工作頻率

L6599的振蕩器電路如圖6所示，振蕩器在外部用一個接到GND的電容CF調(diào)節(jié)，用接到RFmin的網(wǎng)絡(luò)交替地充放電來定出，此端提供2 V基準(zhǔn)，有2 mA電流能力，當(dāng)拉出更大電流時，會有更高振蕩頻率。

圖6 L6599振蕩器電路框圖

RFmin引腳通常以下3條支路：電阻RFmin接于PIN4與GND之間，決定最低工作頻率；電阻RFmax接于PIN4和光耦集電極之間，光耦從二次側(cè)傳輸反饋信息，光耦將控制分支的電流，從而調(diào)節(jié)振蕩器的頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，電阻RFmax決定最高工作頻率；RC串聯(lián)電路接于PIN4與GND之間，用來設(shè)置軟啟動。

fmin、fmax與周邊網(wǎng)絡(luò)元件的關(guān)系如下：

圖7 軟啟動實現(xiàn)電路

電容Css逐漸充電直到電壓達(dá)到2 V基準(zhǔn)電壓。隨之，通過Rss的電流降到0，該過程持續(xù)時間典型值為5Rss×Css。此前輸出電壓緊靠穩(wěn)定值，直到反饋環(huán)工作。在頻率變化期間，工作頻率將隨電容Css的充電而衰減，開始時充電速率較快，隨后充電速率逐漸慢下來。頻率非線性的變化使變換器能夠很快地達(dá)到諧振頻率。

建議fstart至少為Fmin的4倍。設(shè)起始頻率為400 kHz，Rss的取值為：

Rss＝1.5 kΩ，Css的確定需要在軟啟動時間和過流保護之間進行折中，在此Css＝3.3μF。

4.2.2 同步整流控制器

TEA1795T是一款專門用于諧振轉(zhuǎn)換器次級側(cè)同步整流的控制器IC。該器件擁有兩個驅(qū)動器級，用于驅(qū)動SRMOSFET，SRMOSFET對采用中心抽頭次級繞組的輸出進行同步整流。兩個柵極驅(qū)動器級擁有獨立的感測輸入，相互獨立工作。TEA1795T應(yīng)用原理如圖8所示。

圖8 TEA1795T應(yīng)用原理

5 電路仿真和實驗結(jié)果

5.1 基于Saber的電路仿真

用Saber軟件搭建如圖9所示的半橋LLC諧振變換器硬件電路，對變壓器變比、諧振電容等設(shè)計參數(shù)進行仿真驗證，仿真參數(shù)如表2所示。

圖9 半橋LLC諧振變換器Saber仿真電路

表2 半橋LLC諧振變換器仿真參數(shù)

仿真結(jié)果如圖10～11所示，比較了原邊開關(guān)管的柵源電壓、中點電壓VA、諧振電感電流、勵磁電感電流和輸出整流管上的電流。仿真結(jié)果顯示原邊開關(guān)管實現(xiàn)了ZVS。

圖10 開關(guān)管Q1電壓和諧振電感電流波形

圖11 電路中關(guān)鍵點仿真結(jié)果

5.2 實驗結(jié)果

如圖12～13所示，給出了Vin＝430 V滿載時變換器穩(wěn)態(tài)實驗波形。當(dāng)MOS管開通時，MOS管DS電壓已諧振為0，說明由于諧振作用，實現(xiàn)了開關(guān)管的ZVS。

圖12 開關(guān)管Q1電壓和諧振電感電流波形

圖13 副邊開關(guān)管SR1柵源電壓、漏源電壓和電流波形

當(dāng)同步整流管的反向二極管導(dǎo)通后，經(jīng)過1μs以后，MOS管才開通，此時MOS管DS電壓已降到0，反向二極管導(dǎo)通時間短，利用MOS管毫歐級的導(dǎo)通電阻替代二極管較大的導(dǎo)通壓降，降低整流管導(dǎo)通損耗，從而提高了變換器效率。

電源樣機測試結(jié)果如表3所示，最高效率達(dá)到93.4%。

表3 電源樣機測試結(jié)果

6 結(jié)束語

本文針對寬電壓恒流輸出應(yīng)用需求，研究了帶同步整流的半橋LLC諧振變換器，工作于fs＞fr工作區(qū)間，實現(xiàn)原邊MOSFET零電壓開關(guān)，大大降低MOSFET的開關(guān)損耗，同時該區(qū)間內(nèi)輸出電流工作于連續(xù)狀態(tài)，電壓增益曲線斜率較大，電壓增益可調(diào)節(jié)范圍寬，適用于恒流寬電壓輸出應(yīng)用需求，采用智能同步整流驅(qū)動芯片的同步整流技術(shù)，達(dá)到提高電源效率的目的。結(jié)合專為串聯(lián)諧振半橋拓?fù)湓O(shè)計的控制芯片L6599和同步整流芯片TEA1795AT搭建了430 V輸入36 V/240 W輸出的實驗樣機，實測變換器最高效率達(dá)到93.4%，驗證了理論分析和設(shè)計的正確性。