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基于LLC的半橋零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器

發(fā)布時(shí)間:2008-10-30 來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用

中心論題:

  • LLC三元件諧振網(wǎng)絡(luò)
  • 零電壓半橋諧振控制器——TEA1610
  • 用TEA1610構(gòu)建LLC諧振變換器

解決方案:

  • LLC三元件諧振網(wǎng)絡(luò)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
  • 用TEA1610構(gòu)建LLC諧振變換器

  
近代電子設(shè)備的發(fā)展,對(duì)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(zhǔn)諧振、諧振開(kāi)關(guān)、全諧振等結(jié)構(gòu)應(yīng)時(shí)而生。在針對(duì)減少開(kāi)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(lái)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。

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。
  
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(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(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(jiǎn)化模型如圖2(b)所示,Ra c為副邊的負(fù)載折算到原邊的等效負(fù)載,折算公式見(jiàn)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。
 
                                            
 
利用Matlab對(duì)該模型進(jìn)行仿真,采用基波進(jìn)行近似分析,可以初步分析出其工作特性,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/Fo>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/Fo>1區(qū)域,在某些負(fù)載下可以工作在Fs/Fo<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)有著其自身獨(dú)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)際應(yīng)用中,考慮到高頻變壓器實(shí)際結(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L(zhǎng)s,利用變壓器的磁化電感作為L(zhǎng)p。這樣一來(lái),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?,并且控制變壓器原副邊的繞線方式,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(wú)須使用隔離膠帶,這樣有助于形體的小型化。
 
                                                         

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(kāi)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(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(hào)是在經(jīng)過(guò)觸發(fā)器后送到開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)極;內(nèi)部具有死區(qū)補(bǔ)償電路,通過(guò)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(guò)2.33V時(shí),TEA1610進(jìn)入關(guān)機(jī)模式,切斷開(kāi)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,可以利用該管腳添加一些保護(hù)電路。
  
為消除在啟動(dòng)瞬間的尖鋒電流,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。

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(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(xiàn)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(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)100nF的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。因?yàn)門(mén)EA1610內(nèi)部具有一個(gè)電平抬升電路,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(kāi)關(guān)管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(xiàn)過(guò)壓檢測(cè)及其它保護(hù)。
                                                


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(wú)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之間,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(kāi)關(guān)損耗,只有導(dǎo)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)關(guān)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(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(kāi)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(kāi),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)的影響而發(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(kāi)關(guān)管內(nèi)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(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(kāi)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。
  
本文分析了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(jiǎn)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。

 

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