1、llC諧振變換器與不對(duì)稱(chēng)半橋變換器的對(duì)比日期:2005-9-4來(lái)源:電源技術(shù)應(yīng)用作者:范洪峰楊益平呂征宇 摘要:介紹了LLC諧振變換器和不對(duì)稱(chēng)半橋變換器兩種不同類(lèi)型的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洹７治隽怂鼈兊墓ぷ髟?分別對(duì)它們的控制方法,副邊整流管的電壓應(yīng)力和副邊的開(kāi)通等進(jìn)行了比較,分析結(jié)果表明,LLC諧振變換器更適合高頻化和高效率的要求。關(guān)鍵詞:LLC諧振變換器;不對(duì)稱(chēng)半橋變換器;電壓應(yīng)力引言隨著開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展,軟開(kāi)關(guān)技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用,已研究出了不少高效率的電路拓?fù)?主要為諧振型的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浜蚉WM型的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?。近幾年?lái),隨著半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻,寄生電容和反向恢復(fù)時(shí)間越來(lái)

2、越小了,這為諧振變換器的發(fā)展提供了又一次機(jī)遇。對(duì)于諧振變換器來(lái)說(shuō),如果設(shè)計(jì)得當(dāng),能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)變換,從而使得開(kāi)關(guān)電源具有較高的效率。1 兩種變換器的工作原理1.1 不對(duì)稱(chēng)半橋變換器圖1和圖2分別給出了傳統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)半橋變換器的電路圖和工作波形。圖1中包括兩個(gè)互補(bǔ)控制的功率MOSFET(S1和S2,其中S1的占空比為D,S2的占空比為(1-D;隔直電容Cb,其上電壓作為S2開(kāi)通時(shí)的電源;中心抽頭變壓器Tr,其原邊匝數(shù)為Np,副邊匝數(shù)分別為Ns1和Ns2;半橋全波整流二級(jí)管D1和D2;輸出濾波電感Ld,電容Cf。不對(duì)稱(chēng)半橋(AHB變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下。圖1 1當(dāng)S1導(dǎo)通S2關(guān)斷時(shí),變壓器原邊承受正

3、向電壓,副邊Ns1工作;二極管D1導(dǎo)通,二極管D2截止;2當(dāng)S2導(dǎo)通S1關(guān)斷時(shí),隔直電容Cb上的電壓加在變壓器的原邊,副邊Ns2工作,二極管D1截止。圖2中n1=Np/Ns1,n2=Np/Ns2,且n1=n2=n。通過(guò)對(duì)電路的分析,可以得到傳統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)半橋變換器占空比D的計(jì)算公式 1.2 LLC諧振變換器圖3和圖4分別給出了LLC諧振變換器的電路圖和工作波形。圖3中包括兩個(gè)功率MOSFET(S1和S2,其占空比都為0.5;諧振電容Cs,副邊匝數(shù)相等的中心抽頭變壓器Tr,Tr的漏感Ls,激磁電感Lm,Lm在某個(gè)時(shí)間段也是一個(gè)諧振電感,因此,在LLC諧振變換器中的諧振元件主要由以上3個(gè)諧振元件構(gòu)成,

4、即諧振電容Cs,電感Ls和激磁電感Lm;半橋全波整流二極管D1和D2,輸出電容Cf。圖2 LLC變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下。1t1,t2當(dāng)t=t1時(shí),S2關(guān)斷,諧振電流給S1的寄生電容放電,一直到S1上的電壓為零,然后S1的體二級(jí)管導(dǎo)通。此階段D1導(dǎo)通,L m上的電壓被輸出電壓鉗位,因此,只有Ls和Cs參與諧振。2t2,t3當(dāng)t=t2時(shí),S1在零電壓的條件下導(dǎo)通,變壓器原邊承受正向電壓;D1繼續(xù)導(dǎo)通,S2及D2截止。此時(shí)Cs和Ls參與諧振,而Lm不參與諧振。3t3,t4當(dāng)t=t3時(shí),S1仍然導(dǎo)通,而D1與D2處于關(guān)斷狀態(tài), Tr副邊與電路脫開(kāi),此時(shí)Lm,Ls和Cs一起參與諧振。實(shí)際電路中Lm L

5、s,因此,在這個(gè)階段可以認(rèn)為激磁電流和諧振電流都保持不變。4t4,t5當(dāng)t=t4時(shí),S1關(guān)斷,諧振電流給S2的寄生電容放電,一直到S2上的電壓為零,然后S2的體二級(jí)管導(dǎo)通。此階段D2導(dǎo)通,L m上的電壓被輸出電壓鉗位,因此,只有Ls和Cs參與諧振。圖3、4 5t5,t6當(dāng)t=t5時(shí),S2在零電壓的條件下導(dǎo)通,Tr原邊承受反向電壓;D2 繼續(xù)導(dǎo)通,而 S1 和 D1 截止.此時(shí)僅 Cs 和 Ls 參與諧振,Lm 上的電壓被輸出電壓箝位,而不參與諧振. 6t6,t7當(dāng) t=t6 時(shí),S2 仍然導(dǎo)通,而 D1 和 D2 處于關(guān)斷狀態(tài), Tr 副邊與電路脫開(kāi),此時(shí) Lm,Ls 和 Cs 一起參與諧振.

6、實(shí)際電路中 Lm Ls,因此,在這個(gè)階段可以認(rèn)為激磁電流和諧振電流都保持不變. 通過(guò)上面的詳細(xì)分析,對(duì)這兩類(lèi)軟開(kāi)關(guān)型變換器的工作原理及其特性 有了一定的了解,下面將對(duì)它們之間的差異進(jìn)行比較,進(jìn)一步加深對(duì)它們 的認(rèn)識(shí). 2 兩種變換器差異的對(duì)比 雖然不對(duì)稱(chēng)半橋變換器和 LLC 諧振變換器都是軟開(kāi)關(guān)型變換器, 但是, 兩者有本質(zhì)的區(qū)別.不對(duì)稱(chēng)半橋變換器是 PWM 型的,而 LLC 諧振變換器 是諧振型的,因此,它們?cè)诳刂品椒?副邊整流管的電壓應(yīng)力,原邊的電 流應(yīng)力等方面有很大的差異,下面將對(duì)這些差異進(jìn)行詳細(xì)分析. 2.1 控制方法的對(duì)比 不對(duì)稱(chēng)半橋變換器通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓,圖 5

7、 給 出了在不同的輸入電壓下的占空比變化情況,從圖 5 可以看出當(dāng)輸入電壓 變化范圍比較大時(shí),開(kāi)關(guān)管的占空比變化范圍也比較大,因此,不對(duì)稱(chēng)半 橋變換器的掉電維持時(shí)間特性比較差. 與不對(duì)稱(chēng)半橋變換器相比,LLC 諧振變換器是通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào) 節(jié)輸出電壓的,也就是在不同的輸入電壓下它的占空比保持不變,因此, 與不對(duì)稱(chēng)半橋相比,它的掉電維持時(shí)間特性比較好,可以廣泛地應(yīng)用在對(duì) 掉電維持時(shí)間要求比較高的場(chǎng)合. 2.2 副邊整流管電壓應(yīng)力的對(duì)比 通過(guò)對(duì)不對(duì)稱(chēng)半橋變換器工作原理的分析,可以得到副邊二極管上的 電壓應(yīng)力的計(jì)算方法如式(2及式(3所示,這樣當(dāng)輸入電壓變化時(shí), 就可以了解副邊二極管電壓的變化情

8、況. 6 給出了輸出電壓為 48V 時(shí)副 圖 邊整流管上電壓變化情況.當(dāng)輸入電壓比較高時(shí),D2 上的電壓比較高,因 此,D2 必須選用耐壓等級(jí)比較高的二極管,這樣就會(huì)增加電路的損耗. 相同條件下, LLC 諧振變換器中副邊二極管上的電壓應(yīng)力比不對(duì)稱(chēng)半橋 變換器小很多,因?yàn)?在 LLC 諧振變換器中副邊二極管上的電壓應(yīng)力是輸 出電壓的 2 倍,如圖 7 所示.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. 2.3 副邊二極管的開(kāi)通對(duì)比 從對(duì)不對(duì)稱(chēng)半橋變換器的分析可知其副邊二極管是硬開(kāi)通,損耗比較 大;而從對(duì) LLC 諧振變換器的分析可知其副邊二極管是零電流開(kāi)關(guān),損耗 比較小,這樣就可以提高變換器的效率. 2.4 其他方面 首先,在不對(duì)稱(chēng)半橋變換器中上下開(kāi)關(guān)管的占空比是互補(bǔ)的,因此, 不對(duì)稱(chēng)半橋變換器中的變壓器有直流偏置現(xiàn)象; 而在 LLC 諧振變換器中上 下開(kāi)關(guān)管的占空比是相等的,因此,LLC 諧振變換器中的變壓器沒(méi)有直流 偏置現(xiàn)象. 其次,LLC 諧振變換器是通過(guò)調(diào)開(kāi)關(guān)管的工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓,因 此,對(duì)于 LLC 諧振變換器來(lái)說(shuō),要實(shí)現(xiàn)同步整流控制比較復(fù)雜;而不對(duì)稱(chēng) 半橋變換器是通過(guò)調(diào)開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓,因此,對(duì)于不對(duì)稱(chēng) 半橋變換器來(lái)說(shuō),要實(shí)現(xiàn)同步整流控制比較簡(jiǎn)單. 另外,通過(guò)對(duì) LLC