三種布局的半橋諧振變換器的分析研究

摘要：驅動(dòng)電路的設計是LED照明設備中的核心部分，驅動(dòng)電路的好壞直接影響到了光源是否高效節能工作。而基于不對稱(chēng)式半橋諧振變換器設計的驅動(dòng)電路在大功率LED中應用較多，本文即針對不對稱(chēng)式半橋諧振變換器進(jìn)行了分析，橫向對比SRC、PRC、LLC諧振變換器后，對性能最好的不對稱(chēng)式半橋LLC諧振變換器做仿真分析，獲得了相關(guān)計算數據，驗證了LLC不對稱(chēng)式半橋諧振器具有優(yōu)良性能，并提出了優(yōu)化方法。
關(guān)鍵詞：LLED驅動(dòng)；不對稱(chēng)；LLC諧振器；性能仿真

近年來(lái)隨著(zhù)“節能減排、低碳社會(huì )”的持續深入建設，LED照明技術(shù)得到了長(cháng)足發(fā)展，LED(Light Emitting Diode)是一種新型半導體固態(tài)光源，具有節能環(huán)保、長(cháng)壽命等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，因此，在全球能源日趨緊張和環(huán)保壓力日益加劇的情況下，使用LED半導體照明是最佳選擇。作為L(cháng)ED照明最核心的部分，驅動(dòng)電路也為了適應不同市場(chǎng)不同要求而發(fā)展出眾多的設計架構。不同的架構直接影響著(zhù)光源的發(fā)光效率和常態(tài)壽命。從目前已研發(fā)出的驅動(dòng)電路品種來(lái)看，輸入整流-PFC調整-DC／DC-輸出端分塊已成為綜合情況最合理的設計模式。但是這種設計模式更多的是按經(jīng)驗摸索而來(lái)，還缺乏對局部電路深入的分析。本文就根據主流設計電路結構，對驅動(dòng)電路中重要組成部分-諧振變換器做細致對比分析，研究常用的3種諧振變換器各自特點(diǎn)。這3種諧振變換器分別：串聯(lián)諧振變換器(SRC)、并聯(lián)諧振變換器(PRC)、LLC型諧振變換器。其中LLC型諧振變換器為不對稱(chēng)式半橋設計，橫向對比3種變換器特點(diǎn)后，針對理論分析最優(yōu)良的LLC型諧振變換器做電路仿真分析，得出電路相關(guān)參數，獲得了電路的仿真數據，驗證了電路功能，得出了LLC型不對稱(chēng)式半橋諧振變換器在抑制驅動(dòng)電路噪聲、減小對反饋電路和其它電路
結構不良影響上具有較好作用。

1 3種變換器的基本分析
LED驅動(dòng)電路特別是大功率驅動(dòng)電路中目前普遍要求實(shí)現增大功率密度，縮小設計尺寸的目標，但是這又和開(kāi)關(guān)損耗這一存在事實(shí)相抵觸，于是出現了替代傳統變壓器-濾波器的諧振切換技術(shù)。諧振切換技術(shù)按正弦波處理功率，并且開(kāi)關(guān)器件可以很方便地軟換向。因此，開(kāi)關(guān)損耗和噪聲可大幅度減少。常規諧振器使用串聯(lián)的電感作為諧振網(wǎng)絡(luò )，負載連接有兩種基本結構：串聯(lián)和并聯(lián)。
對于串聯(lián)諧振變換器(SRC)，原理圖如圖1所示，整流負載網(wǎng)絡(luò )與一個(gè)LC諧振網(wǎng)絡(luò )串聯(lián)。諧振網(wǎng)絡(luò )與負載作為一個(gè)分壓器，通過(guò)改變驅動(dòng)電壓Vd的頻率，改變諧振網(wǎng)絡(luò )的阻抗。輸入電壓將分配到這部分阻抗和反射負載上。因為是一個(gè)分壓器，SRC直流增益始終小于1。在小負載條件下，負載阻抗相對于與諧振網(wǎng)絡(luò )的阻抗非常大，全部輸入電壓落在負載上。這使得我們很難在小負載條件下調節輸出。理論上，在沒(méi)有負載的情況下調節輸出，頻率會(huì )變?yōu)闊o(wú)限大。

對于并聯(lián)諧振變換器(PRC)，原理圖如圖2所示，整流負載網(wǎng)絡(luò )與諧振電容是并聯(lián)的。由于負載同諧振網(wǎng)絡(luò )是并聯(lián)的，因此不可避免地存在著(zhù)大量的循環(huán)電流。這使得人們難以在大功率場(chǎng)合下使用并聯(lián)諧振電路。
為了解決傳統諧振變換器的局限性，提出了LLC諧振變換器。一般來(lái)說(shuō)，LLC諧振拓撲包括3部分：方波發(fā)生器，諧振網(wǎng)絡(luò )和整流器網(wǎng)絡(luò )，如圖3所示。

對比常規諧振器，LLC型諧振變換器具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以在輸入和負載大范圍變化的情況下調節輸出，同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率變化相對很小。第二，它可以在整個(gè)運行范圍內，實(shí)現零電壓切換(ZVS)。最后，所有寄生元件，包括所有半導體器件的結電容和變壓器的漏磁電感和激磁電感，都是用來(lái)實(shí)現ZVS的，工作原理和基波近似。圖3中，Lm是變壓器激磁電感，LLC諧振變換器的工作原理和傳統LC串聯(lián)諧振變換器是類(lèi)似的。唯一不同的是，激磁電感相對較小，因此Lm和Cr之間的諧振會(huì )影響變換器的工作。由于激磁電感較小，存在著(zhù)相當大的勵磁電流(Im)。
在方波發(fā)生器部份，通過(guò)每次切換以50％占空比交替驅動(dòng)開(kāi)關(guān)Q1和Q2產(chǎn)生方波電壓Vd。方波發(fā)生器級可設計成一個(gè)全橋或半橋型。
諧振網(wǎng)絡(luò )包括一個(gè)電容器，變壓器的漏磁電感和激磁電感。諧振網(wǎng)絡(luò )可以過(guò)濾掉高次諧波電流。因此，即使方波電壓應用于諧振網(wǎng)絡(luò )，基本上只有正弦電流允許流經(jīng)諧振網(wǎng)絡(luò )。電流(Ir)滯后于施加于諧振網(wǎng)絡(luò )的電壓(也就是說(shuō)，方波電壓(Vd)的基波施加到半橋上)，這允許零電壓開(kāi)啟MOSFET。當電流流經(jīng)反向并聯(lián)二極管時(shí)，MOSFET開(kāi)啟電壓為零。
整流網(wǎng)絡(luò )通過(guò)整流二極管和電容器調整交流電，輸出直流電壓。整流網(wǎng)絡(luò )可設計成一個(gè)帶有電容輸出濾波器的全波橋或中心抽頭結構。
相對于串聯(lián)、并聯(lián)布局方式，LLC諧振變換器調頻控制輸出電壓不受寬電壓輸入時(shí)占空比缺失的影響，副邊整流二極管零電流關(guān)斷克服反向恢復損耗，更以其同時(shí)兼具空載工作能力和適應較寬輸入電壓的能力，理所當然的受到業(yè)界的歡迎。

2 電路仿真分析

在圖5中，fo是由Lr決定的諧振頻率，Cr由Lp決定的，fp由Cr決定。從仿真結果我們可以確認，合適的工作范圍是當諧振頻率處于fo和fp之間的時(shí)候，即37～61 kHz之間。當負載Q變小的時(shí)候，峰值增益頻率會(huì )隨之向fp移動(dòng)，當負載Q變大的時(shí)候，峰值增益頻率會(huì )向fo移動(dòng)。

如圖6所示，LLC諧振變換器中副邊二極管上的電壓應力比較小，這是因為副邊二極管上的電壓應力是輸出電壓的2倍，因此，在LLC諧振變換器中可以選擇耐壓比較低的二極管，從而可以提高電路的效率。Q1此時(shí)實(shí)現了ZVS開(kāi)通，副邊整流二極管是ZCS(零電流)關(guān)斷，而且此時(shí)的MOSFET的ZVS開(kāi)通及整流二極管ZCS的關(guān)斷較為容易實(shí)現。這樣大大減小了電路中的損耗，提高了LLC變換器的效率，有些LLC變換器的效率甚至可以達到95％，這個(gè)效率相當可觀(guān)。同時(shí)，LLC諧振變換器中上下開(kāi)關(guān)管的占空比是相等的，從而導致變壓器不會(huì )產(chǎn)生直流偏置現象，從而輸出純凈的直流信號，驅動(dòng)LED光源穩定工作。這樣的優(yōu)點(diǎn)使得LLC式電路能夠較好的完成大功率LED驅動(dòng)電路中的變換工作，實(shí)現高功率因數的目標。

3 優(yōu)化
在實(shí)際電路中，由于通常會(huì )在LLC諧振變換器前端接入PFC級以保證輸入信號的穩定，所以只需考慮輸出端，以實(shí)現優(yōu)化。而最重要的參數為L(cháng)m，下面即對Lm考慮優(yōu)化參數。在f=fr時(shí)，變換器有著(zhù)最大的的變換效率，因此可以將最低輸出電壓時(shí)的頻率f設為fr，這樣整個(gè)電路任何時(shí)候的工作頻率都符合ffr的條件，同時(shí)利用f=fr，即可求出任意負載時(shí)的最優(yōu)的Lm：
當開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)有Lm上電流ilm最大值

另一方面要實(shí)現開(kāi)關(guān)管的ZVS，必須在死區時(shí)間內讓即將開(kāi)通開(kāi)關(guān)管的結電容放電直到電量放完，電壓降到零而已關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管則同時(shí)將其結電容充電電壓充到輸電壓，于是有

另外，實(shí)驗證明在實(shí)際的半橋LLC諧振變換器設計中，磁芯材料也是決定Lm大小的因素之一，選擇合適的磁芯材料能達到Lm大小與變壓器自身?yè)p耗之間有一個(gè)比較優(yōu)化的組合，因此這也是優(yōu)化，Lm時(shí)需要考慮的。

4 結束語(yǔ)
通過(guò)對3種布局的諧振器理論分析和LLC布局的電路仿真，驗證了LLC的電路功能，闡述了LLC布局方式優(yōu)點(diǎn)的內部機理，最后提出了LLC諧振轉換器的最佳Lm優(yōu)化方法。