一種自動磁復位半橋式正反激諧振變換器的研究

劉國宏

(中國石化勝利油田分公司東辛采油廠， 山東 東營 257000)

傳統的變換器開關采用的是硬開關技術，已經不能滿足開關電源高效率、高功率密度、低成本的發展趨勢。諧振電源由于容易實現開關管的軟開關過程，在中大功率場合和對功率密度要求較高的場合得到廣泛應用[1]。LLC諧振變換器由于電路性能優良，能夠在全頻率范圍內實現開關管的軟開關過程，是近年來實現軟開關技術的重點熱門結構。

文獻[2]提出了一種電感復用式諧振變換器，利用主電路的電感構成輔助反激電路，對諧振電路工作原理進行分析，實現了寬輸入范圍的調節，但是電路增加反激輔助環節，結構復雜。文獻[3]提出了兩級諧振型DC-DC變換器，整個電路經過兩級變換后不利于效率的提升，實用性不強。文獻[4]提出了一種電流饋電型LLC諧振變換器，開關管能夠在全頻率范圍內實現軟開關過程，但是存在輸出電壓不可調節的缺點。文獻[5]提出一種雙向諧振DC-DC變換器，能夠實現能量的雙向流動，且有利于高頻化和高功率密度化，具有借鑒意義。文獻[6-10]提出了一種高功率場合的正反激式定頻PWM單向諧振變換器，實現了諧振正激與反激變換器的結合，具有實用意義，但是變壓器不能實現復用，需要額外設計相應的磁復位電路。

本文在以上正反激諧振變換器的基礎上，提出一種非對稱半橋式LLC正反激諧振變換器，使變換器在諧振過程中以正激和反激串聯交替工作的形式輸出電能，變壓器具有復用功能，無需額外磁復位電路，簡化了電路結構，有利于實現開關管的軟開關過程，提高變換器的整體效率。對變換器的工作原理和諧振過程進行了分析，研究了增益特性和軟開關實現的條件。樣機測試驗證該變換器能夠實現開關管的零電壓開通，并且變壓器實現了自動磁復位功能，電路結構簡單，變換器效率得到了有效提升。

1 電路原理分析

設計的非對稱半橋式LLC正反激諧振變換器如圖1所示，Vin為輸入側直流電壓；VO為輸出負載側直流電壓；變壓器原匝數為N1；副邊匝數為N2和Q3；Q1和Q2為原邊電路中的開關MOS管；CO1和CO2為開關MOS管的結電容；Cr和Lr為諧振腔的諧振電容和諧振電感；Lm為原邊勵磁電感。副邊為正激和反激兩路串聯結構，D1-D3為副邊整流和續流二極管，變換器中變壓器具有復用功能，電流能夠雙向流動，無需額外的磁復位電路，簡化了電路結構。

圖1 諧振DC-DC變換器

變換器的工作過程如圖2所示，工作波形如圖3所示，假設每個原邊開關管的驅動占空比均為D=50%，VGS1、VGS2為Q1、Q2的驅動信號；VDS1、VDS2為Q1、Q2的漏源極電壓；iLr為諧振電感電流；iD1為反激結構整流二極管電流；iL1為正激電路輸出電感電流。假設各個開關器件均為理想器件，電感和電容值足夠大，變換器工作過程分為5個階段。

工作模態1(t0-t1)：由于體二極管在前一階段續流，t0時刻開關管Q1實現ZVS，電容Cr和電感Lr發生諧振，副邊反激電路中二極管D1導通向輸出傳遞能量，正激變換器中二極管D3續流，變壓器勵磁電感Lm兩端電壓被鉗位至VO1，勵磁電流im線性增大，勵磁電流為

(a) 工作模態1

(b) 工作模態2

(c) 工作模態3

(d) 工作模態4

(e) 工作模態5圖2 工作模態分析

(1)

工作模態2(t1-t2)：t1時刻開關管Q1、Q2均關斷進入死區時間，CO1充電而CO2放電，為Q2的零電壓開通創造條件。正激變換器中二極管D3繼續續流，電感L1上電流iL1線性減小。

(2)

工作模態3(t2-t3)：t2時刻開關管Q2實現了零電壓開通，諧振電容Cr往輸出側傳遞能量，變壓器勵磁電流反向流動去磁復位，實現了變壓器的復用，副邊正激電路開始整流輸出能量，電感L1上電流iL1線性增大，則有：

(3)

工作模態4(t3-t4)：諧振電流給CO1放電，而CO2充電，電容Cr和電感Lr發生諧振使諧振電流開始朝正向增大，諧振腔向電源回饋能量。副邊正激側續流二極管D3導通續流，電感L1上電流iL1線性減小。

工作模態5(t4-t5)：t2時刻諧振電流過零點，使變壓器原邊電壓上正下負，副邊反激結構中，二極管D1導通向輸出傳遞能量，CO1放電完畢使Q1體二極管導通，為Q1實現ZVS創造條件。

圖3 工作波形圖

2 等效電路分析

圖4 諧振網絡等效電路圖

圖5 簡化等效電路圖

在t0-t1諧振工作期間，根據圖5的簡化電路分析可得：

(4)

(5)

根據式(4)和式(5)，可得電容諧振電壓和諧振電流：

(6)

(7)

在t2-t3諧振結束正激變換器工作期間，諧振電容Cr向副邊傳遞能量，副邊正激變換器電感電流將折射到原邊，在此時間段內有:

(8)

式中：vCr(t2)為t2時刻vCr的初始值；I為電感L1電流的等效平均值。

3 特性分析

開關管Q1和Q2采用交替導通的控制方式，控制占空比相同均為D，且開關頻率恒定。在電路工作過程中，假設正激變換器的工作周期占空比為Dw，對變換器增益特性進行分析。

對反激端輸出電壓有：

(9)

在正激變換器輸端電感足夠大的情況下，電感電流連續時，有:

(10)

整體輸出電壓為

VO=VO1+VO2

(11)

根據勵磁電感的伏秒平衡可得

(Vin-VCr)D=VCrDw

(12)

根據式(12)可得：

(13)

聯立以上各式可得：

(14)

可得輸入到輸出的增益特性：

(15)

在Q2截止、正激變換器中，二極管D3續流期間存在著原邊諧振電流ir反向流動的過程，經過Q1體二極管續流，在Q1驅動信號到來前實現體二極管的開通，使Q1容易實現ZVS過程。為了便于Q2實現ZVS過程，結電容CO2應該存在放電過程且電量需要放至零，因此有：

(16)

因此為了便于Q2實現ZVS過程，諧振電感Lr值不應該設計得太小。

4 試驗驗證

為了驗證變壓器能實現復用作用，輸出電壓能夠穩定，開關管能夠實現ZVS過程，搭建試驗樣機進行測試，電路參數設置如表1所示。電路中開關管型號選擇為IPB009N03L型MOS管，測試示波器型號為Tektronix泰克TBS2000B系列示波器。

表1 電路參數

對樣機進行測試，開關管Q1測試波形如圖6所示，開關管Q2測試波形如圖7所示，開關管在開通過程中，2個開關MOS管漏源極電壓均降為零后驅動信號才到，均實現了ZVS過程。對比圖6和圖7可知，開關管Q1實現ZVS過程更容易，實現軟開關過程的時間更充足，比Q2更容易實現ZVS過程，與理論分析一致。諧振電流iLr也出現了反向回流的情況，變壓器成功實現了自動磁復位，起到了復用作用，符合電路設計的原理。

圖6 開關管Q1實現軟開關波形

圖7 開關管Q2實現軟開關波形

為了驗證效率的提升度，對設計的非對稱半橋式LLC正反激諧振變換器進行效率曲線的繪制，同時與傳統非對稱半橋式LLC諧振變換器效率進行對比分析，采用的非對稱半橋式LLC諧振變換器電路結構如圖8所示，效率對比曲線如圖9所示。

圖8 非對稱半橋式LLC諧振變換器

圖9 效率對比曲線

由圖9可知，提出的非對稱半橋LLC式正反激諧振變換器效率在全功率范圍內高于傳統的非對稱半橋式LLC諧振變換器，最大效率能夠接近94%。提出的新型變換器能夠實現變壓器的自動磁復位，同時實現開關管的ZVS過程，減小了工作過程中的磁復位損耗和開關管損耗，有效提升變換器效率，可具有實際應用。

5 結語

本文提出的一種自動磁復位半橋式正反激諧振變換器，變換器以非對稱半橋式LLC正反激諧振變換器為主體，變壓器具有自動磁復位的復用功能，輸出側以正反激的形式串聯，開關管能夠有效實現ZVS過程。通過樣機測試驗證了提出的非對稱半橋式LLC正反激諧振變換器能夠實現變壓器的自動磁復位，開關管均能實現軟開關過程，效率對比傳統的LLC諧振變換器得到有效提高。整個變換器電路結構簡單，效率高，可實際應用。