基于LLC的半橋零電壓開關(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(duì)LLC諧振進(jìn)行了建模和仿真，分析了其工作區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，用Philips公司的零電壓諧振控制器TEA1610構(gòu)建了一個(gè)200W的全諧振變換器。實(shí)驗(yàn)證明，該變換器具有轉(zhuǎn)換效率高、EMI小、不存在開關(guān)損耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)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(shè)備的發(fā)展，對(duì)開關(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。諧振型開關(guān)電源由于不存在硬開關(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(zhǔn)諧振、諧振開關(guān)、全諧振等結(jié)構(gòu)應(yīng)時(shí)而生。在針對(duì)減少開關(guān)損耗和降低噪聲采取的各種方法中，負(fù)載參與諧振的全諧振結(jié)構(gòu)是近十年來的研究熱點(diǎn)。本文在分析LLC諧振特性的基礎(chǔ)上，用Philips公司的TEA1610構(gòu)建一種基于半橋的LLC負(fù)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(jié)構(gòu)主要有兩種：并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)，分別如圖1（a）和圖1（b）所示。串聯(lián)諧振在輕負(fù)載時(shí)具有較高的效率，而在滿負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)換效率比較低；并聯(lián)諧振則反之，在滿負(fù)載時(shí)具有較高的轉(zhuǎn)換效率，而在輕負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)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(yīng)用中都有一定的限制。圖2在二元件諧振網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的應(yīng)用可構(gòu)建不同種類的三元件的諧振網(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(fù)載范圍內(nèi)都具有較高的轉(zhuǎn)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(gòu)成的諧振網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)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(fù)載也參與了諧振。對(duì)其進(jìn)行建模，LLC簡化模型如圖2（b）所示，Rac為副邊的負(fù)載折算到原邊的等效負(fù)載，折算公式見式（1）。因?yàn)樵呡斎腚妷簽榉讲?，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?dǎo)出其電壓傳遞函數(shù)，如式（2）所示。 式中，λ=Ls/Lp； 利用Matlab對(duì)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(nèi)，既有降壓的工作區(qū)域（M<1），也有升壓的工作區(qū)域（M>1），因此LLC諧振有著較為廣闊的應(yīng)用范圍。在輕負(fù)載時(shí)，工作頻率逐漸升高，工作在降壓區(qū)域內(nèi)；而在重負(fù)載時(shí)，工作頻率逐漸降低，工作在升壓區(qū)域內(nèi)。眾所周知，串聯(lián)諧振的工作區(qū)域是Fs/F0>1，眾所周知，串聯(lián)諧振的工作區(qū)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(fù)載（即Q不同）下，為獲得ZVS的工作條件，只要使之工作在虛線的右側(cè)即可。而LLC諧振不僅僅局限于Fs/F0>1區(qū)域，在某些負(fù)載下可以工作在Fs/F0<1區(qū)域，同樣可以獲得零電壓轉(zhuǎn)換的工作狀況。并且與串聯(lián)諧振相比，在不同負(fù)載時(shí)的頻率變化范圍更小。因此，LLC諧振網(wǎng)絡(luò)有著其自身觸特的優(yōu)點(diǎn)。通過上面的分析知道，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(xiàn)應(yīng)用中，考慮到高頻變壓器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，可以把磁性元件Ls和Lp集成在一個(gè)變壓器內(nèi)，利用變壓器的漏感作為Ls，利用變壓器的磁化電感作為Lp。這樣一來，可以大大減少磁性元件數(shù)目。在設(shè)計(jì)時(shí)，只要重點(diǎn)設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)臍庀叮⑶铱刂谱儔浩髟边叺睦@線方式，如圖4所示。因?yàn)樽儔浩鞯脑吚@組與副邊繞組是完全分離的，因此無須使用隔離膠帶，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(cè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)耐壓最大可達(dá)600V，最大的振蕩頻率達(dá)1MHz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。 TEA1610內(nèi)部具有電平抬升電路，可以直接驅(qū)動(dòng)上橋開關(guān)管；具有一個(gè)電流控制的振蕩器，用來產(chǎn)生精確的振蕩頻率；為精確保證50%占空比，振蕩信號(hào)是在經(jīng)過觸地器后送到開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)極；內(nèi)部具有死區(qū)補(bǔ)償電路，通過外部電路可以控制死區(qū)時(shí)間；它還有一個(gè)關(guān)斷管腳SD，當(dāng)該管腳上的電壓超過2.33V時(shí)，TEA1610進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，切斷開關(guān)信號(hào)。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(hù)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)瞬間的過電流。 3 用TEA1610構(gòu)建LLC諧振變換器 LLC諧振變換器原理圖如圖6所示。根據(jù)第二節(jié)中介紹的方法制作變壓器，采用原副邊分開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，一般選用聚丙烯類電容，在該電路中選用47nF/1kV。C13和C17為實(shí)現(xiàn)開關(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(jù)所設(shè)定的頻率進(jìn)行調(diào)整，在此選用220pF。電阻R11為死區(qū)調(diào)整電阻，而R16為設(shè)定最小工作頻率的電阻。R14為為設(shè)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的電容來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。因?yàn)門EA1610內(nèi)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(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管理Q1。在完成高壓啟動(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(xiàn)過壓檢測及其它保護(hù)。圖54 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 用TEA1610構(gòu)建的一個(gè)LLC諧振變換器，輸出+/-26V，總功率為200W。由無負(fù)載狀態(tài)起至額定負(fù)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)，在滿負(fù)載的狀況下，其效率可以達(dá)到90%以上，在半載情況下效率達(dá)到88%。這是因?yàn)樵谠撟儞Q器中，不存在開關(guān)損耗，只有導(dǎo)通損耗，如圖7（b）所示。在開關(guān)管開通時(shí)電流流過其體二極管，此時(shí)開關(guān)管上的壓降只有1V左右，基本上是零電壓開通；在開管管關(guān)斷時(shí)，通過開關(guān)管上并聯(lián)一個(gè)電容來實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。此時(shí)導(dǎo)通損耗和副邊整流二極管成為影響其效率的主要因素，當(dāng)輸入電壓較低或輸入電流較大時(shí)，由于主開關(guān)管內(nèi)所導(dǎo)通的電流增多，會(huì)導(dǎo)致其效率的降低。由于變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)之間由繞線軸架予以隔開，所以變壓器的泄漏磁通比較多，電線容易受泄漏磁通及鄰近效應(yīng)的響應(yīng)而發(fā)熱，致使效率降低，因此原邊的繞組應(yīng)采用較細(xì)線徑為好。圖6圖7（c）和圖7（d）是在200W負(fù)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。由于在開關(guān)管內(nèi)不存在硬開關(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(cè)和二次側(cè)具有較好的耦合。這樣，一次側(cè)和二次側(cè)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(cè)和二次側(cè)完全分開的方式，變壓器的寄生電容甚小，一般小于10pF。因此其傳導(dǎo)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(shè)計(jì)方法，同時(shí)簡單介紹了Philips公司的諧振控制器TEA1610。最后用TEA1610構(gòu)建了一個(gè)200W半橋諧振變換器。實(shí)驗(yàn)結(jié)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其獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域。