基于LLC的半橋零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器

摘要：闡述了LLC諧振電路的工作原理和特點(diǎn)及其與其它一些諧振電路的比較，并且用Matlab對LLC諧振進(jìn)行了建模和仿真，分析了其工作區域。在此基礎上，用Philips公司的零電壓諧振控制器TEA1610構建了一個(gè)200W的全諧振變換器。實(shí)驗證明，該變換器具有轉換效率高、EMI小、不存在開(kāi)關(guān)損耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適合應用于音響、大屏幕液晶電視等產(chǎn)品中。關(guān)鍵詞：全諧振變換器 LLC 半橋 TEA1610 近代電子設備的發(fā)展，對開(kāi)關(guān)電源提出了諸如高頻、小型化、低噪聲以及高功率密度等方面的要求。諧振型開(kāi)關(guān)電源由于不存在硬開(kāi)關(guān)而具有效率高、EMI小等特點(diǎn)，逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)。于是，準諧振、諧振開(kāi)關(guān)、全諧振等結構應時(shí)而生。在針對減少開(kāi)關(guān)損耗和降低噪聲采取的各種方法中，負載參與諧振的全諧振結構是近十年來(lái)的研究熱點(diǎn)。本文在分析LLC諧振特性的基礎上，用Philips公司的TEA1610構建一種基于半橋的LLC負載諧振變換器。圖11 LLC三元件諧振網(wǎng)絡(luò ) 用兩個(gè)元件組成的諧振拓樸結構主要有兩種：并聯(lián)結構和串聯(lián)結構，分別如圖1（a）和圖1（b）所示。串聯(lián)諧振在輕負載時(shí)具有較高的效率，而在滿(mǎn)負載時(shí)轉換效率比較低；并聯(lián)諧振則反之，在滿(mǎn)負載時(shí)具有較高的轉換效率，而在輕負載時(shí)轉換效率比較低。而且串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振都要求較寬的頻率范圍。因此，這種二元的諧振網(wǎng)絡(luò )在實(shí)際應用中都有一定的限制。圖2在二元件諧振網(wǎng)絡(luò )的基礎上，根據不同的應用可構建不同種類(lèi)的三元件的諧振網(wǎng)絡(luò )。三元件諧振網(wǎng)絡(luò )與二元件諧振網(wǎng)絡(luò )相比有很多優(yōu)點(diǎn)，比如在全負載范圍內都具有較高的轉換效率，而且頻率變化范圍比較窄等。本文主要介紹和分析由三元件LLC構成的諧振網(wǎng)絡(luò )，其結構如圖2（a）所示。串聯(lián)電感Ls、并聯(lián)電感Lp和諧振電容Cs組成LLC諧振網(wǎng)絡(luò )，在此必須注意到負載也參與了諧振。對其進(jìn)行建模，LLC簡(jiǎn)化模型如圖2（b）所示，Rac為副邊的負載折算到原邊的等效負載，折算公式見(jiàn)式（1）。因為原邊輸入電壓為方波，電流為近似正弦波，而變壓器輸出電壓也是方波，電流也是正弦波，因此可以推導出其電壓傳遞函數，如式（2）所示。 式中，λ=Ls/Lp； 利用Matlab對該模型進(jìn)行仿真，用基波進(jìn)行近似分析，可以初步分析由其工作特性，如圖3所示。 從圖3中可以看到，在整個(gè)頻率范圍內，既有降壓的工作區域（M<1），也有升壓的工作區域（M>1），因此LLC諧振有著(zhù)較為廣闊的應用范圍。在輕負載時(shí)，工作頻率逐漸升高，工作在降壓區域內；而在重負載時(shí)，工作頻率逐漸降低，工作在升壓區域內。眾所周知，串聯(lián)諧振的工作區域是Fs/F0>1，眾所周知，串聯(lián)諧振的工作區域是Fs/F0>1，才能工作在ZVS的狀態(tài)下。從圖3中可以看到，在不同負載（即Q不同）下，為獲得ZVS的工作條件，只要使之工作在虛線(xiàn)的右側即可。而LLC諧振不僅僅局限于Fs/F0>1區域，在某些負載下可以工作在Fs/F0<1區域，同樣可以獲得零電壓轉換的工作狀況。并且與串聯(lián)諧振相比，在不同負載時(shí)的頻率變化范圍更小。因此，LLC諧振網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)其自身觸特的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)上面的分析知道，LLC諧振網(wǎng)絡(luò )需要兩個(gè)磁性元件Ls和Lp。然而，在實(shí)現應用中，考慮到高頻變壓器實(shí)現結構，可以把磁性元件Ls和Lp集成在一個(gè)變壓器內，利用變壓器的漏感作為L(cháng)s，利用變壓器的磁化電感作為L(cháng)p。這樣一來(lái)，可以大大減少磁性元件數目。在設計時(shí)，只要重點(diǎn)設計變壓器的漏感與變壓器磁化電感即可。因此，為增加漏感，需要在變壓器中加入適當的氣隙，并且控制變壓器原副邊的繞線(xiàn)方式，如圖4所示。因為變壓器的原邊繞組與副邊繞組是完全分離的，因此無(wú)須使用隔離膠帶，這樣有助于形體的小型化。2 零電壓半橋諧振控制器——TEA1610 TEA1610是Philips公司推出的零電壓全諧振半橋控制器，是采用高壓DMOS工藝的芯片，高側開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)耐壓最大可達600V，最大的振蕩頻率達1MHz。其內部結構如圖5所示。 TEA1610內部具有電平抬升電路，可以直接驅動(dòng)上橋開(kāi)關(guān)管；具有一個(gè)電流控制的振蕩器，用來(lái)產(chǎn)生精確的振蕩頻率；為精確保證50%占空比，振蕩信號是在經(jīng)過(guò)觸地器后送到開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)極；內部具有死區補償電路，通過(guò)外部電路可以控制死區時(shí)間；它還有一個(gè)關(guān)斷管腳SD，當該管腳上的電壓超過(guò)2.33V時(shí)，TEA1610進(jìn)入關(guān)機模式，切斷開(kāi)關(guān)信號。此時(shí)，只能使VDD的電平低于5.3V才能重新啟動(dòng)。因此，可以利用該管理添加一些保護電路。 為消除在啟動(dòng)瞬間的尖峰電流，TEA1610還具有軟啟動(dòng)功能。在啟動(dòng)時(shí)，VCO輸出一個(gè)固定電平2.5V，利用該固定電平可以抬高起始振蕩頻率，從而避免啟動(dòng)瞬間的過(guò)電流。 3 用TEA1610構建LLC諧振變換器 LLC諧振變換器原理圖如圖6所示。根據第二節中介紹的方法制作變壓器，采用原副邊分開(kāi)繞制的方法增加漏感，利用該漏感作為諧振電感，控制漏感為68μH，原邊電感量為320μH。圖中Cr為諧振電容，一般選用聚丙烯類(lèi)電容，在該電路中選用47nF/1kV。C13和C17為實(shí)現開(kāi)關(guān)管零電壓關(guān)斷的吸收電容，在此選用470pF/1kV。C18為振蕩電容，需要根據所設定的頻率進(jìn)行調整，在此選用220pF。電阻R11為死區調整電阻，而R16為設定最小工作頻率的電阻。R14為為設定啟動(dòng)頻率的電阻，并且可以在該電阻上并聯(lián)一個(gè)100mF的電容來(lái)實(shí)現軟啟動(dòng)。因為T(mén)EA1610內部具有一個(gè)電平抬升電容，所以只需要外接一個(gè)小電容就可以實(shí)現直接驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管理Q1。在完成高壓?jiǎn)?dòng)后，輔助繞組接管TEA1610的VDD，并且利用輔助繞組和TEA1610的SD管腳實(shí)現過(guò)壓檢測及其它保護。圖54 實(shí)驗結果 用TEA1610構建的一個(gè)LLC諧振變換器，輸出+/-26V，總功率為200W。由無(wú)負載狀態(tài)起至額定負載止的頻率控制范圍介于80kHz～150kHz之前，圖7（a）顯示了在空載150kHz時(shí)的電流三角波波形。副邊采用肖特基二極管作為整流二極管時(shí)，在滿(mǎn)負載的狀況下，其效率可以達到90%以上，在半載情況下效率達到88%。這是因為在該變換器中，不存在開(kāi)關(guān)損耗，只有導通損耗，如圖7（b）所示。在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)電流流過(guò)其體二極管，此時(shí)開(kāi)關(guān)管上的壓降只有1V左右，基本上是零電壓開(kāi)通；在開(kāi)管管關(guān)斷時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)管上并聯(lián)一個(gè)電容來(lái)實(shí)現零電壓關(guān)斷。此時(shí)導通損耗和副邊整流二極管成為影響其效率的主要因素，當輸入電壓較低或輸入電流較大時(shí)，由于主開(kāi)關(guān)管內所導通的電流增多，會(huì )導致其效率的降低。由于變壓器的一次側和二次側之間由繞線(xiàn)軸架予以隔開(kāi)，所以變壓器的泄漏磁通比較多，電線(xiàn)容易受泄漏磁通及鄰近效應的響應而發(fā)熱，致使效率降低，因此原邊的繞組應采用較細線(xiàn)徑為好。圖6圖7（c）和圖7（d）是在200W負載時(shí)原邊電壓和電流波形。從圖中可以看到原邊電流波形幾乎是正弦波，副邊電流同樣是正弦波。由于在開(kāi)關(guān)管內不存在硬開(kāi)關(guān)，其dV/dt和dI/dt都比較小。因此，該變換器的EMI得到了很大的改善。 另外，一般的高頻變壓器要求一次側和二次側具有較好的耦合。這樣，一次側和二次側間的寄生電容介于50～100pF之間。而LLC諧振變壓器則采用一次側和二次側完全分開(kāi)的方式，變壓器的寄生電容甚小，一般小于10pF。因此其傳導干擾會(huì )更小。圖7本文介紹了LLC諧振網(wǎng)絡(luò )的工作特性并闡述了LLC諧振網(wǎng)絡(luò )變換器的變壓器的設計方法，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了Philips公司的諧振控制器TEA1610。最后用TEA1610構建了一個(gè)200W半橋諧振變換器。實(shí)驗結果表明，采用基于LLC諧振網(wǎng)絡(luò )的半橋變換器具有EMI小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，與PWM控制變換器相比有著(zhù)其獨特的應用領(lǐng)域。