基于MC33067的LLC諧振全橋變換器的應用設計

摘要：LLC變換器以其卓越的性能迅速成為DC／DC變換器的首選拓撲，而目前該拓撲大多應用在小功率半橋變換器，而在大功率全橋變換器中的應用還較少。在此提出了一種基于高性能諧振控制器MC33067的LLC諧振全橋變換器設計方案，該拓撲采用了固定死區的互補調頻控制方式，巧妙利用了變壓器的勵磁電感和外置諧振電感與諧振電容發(fā)生諧振，實(shí)現了初級零電壓(ZVS)開(kāi)通以及次級零電流(ZCS)關(guān)斷，并給出了輸出直流電壓48 V，滿(mǎn)載功率2 kW的試驗結果。試驗結果表明，LLC諧振全橋變換器具有高頻、高效率等優(yōu)點(diǎn)，符合電源高功率密度、高效的發(fā)展要求。
關(guān)鍵詞：變換器；軟開(kāi)關(guān)；諧振

1 引言
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，對開(kāi)關(guān)電源提出了更加高頻化、高效率、高功率密度以及低噪聲等要求。目前比較成熟的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，如移相全橋也很難做到真正理想狀態(tài)的軟開(kāi)關(guān)(包含主開(kāi)關(guān)管和次級整流二極管)，并且隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的升高，其損耗也不斷增加，因此尋求一種更加高效、高開(kāi)關(guān)頻率以及高功率密度的拓撲成為當前研究的重點(diǎn)。LLC諧振全橋變換器作為全橋拓撲中性能較為突出的一種，具備以下優(yōu)點(diǎn)：初級MOSFETZVS開(kāi)通，次級整流二極管ZCS關(guān)斷；電路結構簡(jiǎn)單，轉換效率高；初、次級的電壓應力較低；容易實(shí)現高頻化，故容易實(shí)現高功率密度，并且當其工作在所設定的諧振頻率時(shí)，初、次級電流都接近正弦，高次諧波小，有利于EMI設計。
目前，LLC諧振全橋變換器的設計方法較復雜，大多都是在LLC諧振半橋變換器設計方法的基礎上進(jìn)行試探，通過(guò)不斷調試和修正獲得合適的參數。在此提出了一種基于高性能諧振控制器MC33067的LLC諧振全橋變換器設計方法，在設計合理的前提下，變換器可以輕易實(shí)現初級MOSFET ZVS開(kāi)通，次級整流二極管ZCS關(guān)斷，體現了變換器的高頻高效化。

2 LLC諧振全橋變換器拓撲及工作機理
全橋變換器由于具有較高功率密度而廣泛應用于中、大功率場(chǎng)合，其主電路拓撲如圖1所示。該電路主要包括初級4個(gè)功率MOSFET、諧振電感Lr、諧振電容Cr、勵磁電感Lm，次級則由整流二極管VD5和VD6以及輸出濾波電容Co組成。

可見(jiàn)，拓撲中次級沒(méi)有濾波電感，整流二極管無(wú)需緩沖吸收網(wǎng)絡(luò )，與傳統的全橋拓撲相比，其元件大為減少，且變換器的磁性元件能很容易集成到一個(gè)磁芯，主變壓器的漏感和Lm也能被利用。
LLC諧振全橋變換器包括如圖2所示的3個(gè)工作區域：其中區域1，2的主開(kāi)關(guān)管工作在ZVS狀態(tài)，而區域3的主開(kāi)關(guān)管工作在ZCS狀態(tài)。對于選用MOSFET作為主開(kāi)關(guān)管的高頻LLC變換器而言，工作在ZVS條件下其開(kāi)關(guān)損耗最小，工作狀態(tài)較佳，故其所需的工作區域為增益曲線(xiàn)的右側(其中負斜率表示初級MOSFET工作在ZVS模式)。當LLC變換器工作在如圖2所示的ωs=ωr狀態(tài)下時(shí)，其增益由變壓器的匝比決定，從效率和EMI的角度而言，在這個(gè)工作點(diǎn)狀態(tài)下由于正弦初級電流、MOSFET和次級整流二極管都得到最優(yōu)化利用，故為最佳工作點(diǎn)，但是這只能在特定的工作電壓以及負載條件下得到。