三元件串聯(lián)LLC諧振變流器同步整流策略

摘 要：本文在歸納總結(jié)LLC諧振變流器現(xiàn)有同步整流技術(shù)的基礎(chǔ)上對各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較，并提出了新型的一次側(cè)電流采樣方案以及一種應(yīng)用于倍壓整流結(jié)構(gòu)的新型電流型同步整流技術(shù)。除此之外，本文還從電力電子系統(tǒng)集成的角度提出了新型的單封裝結(jié)構(gòu)同步整流技術(shù)解決方案。

0 引言

隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品需求的不斷擴(kuò)大，人們對其電源系統(tǒng)的便攜性提出了更高的要求。因此，高效率和高功率密度成為電力電子產(chǎn)品的一個重要發(fā)展趨勢。三元件串聯(lián)LLC諧振變流器在變換效率和功率密度方面具有突出的優(yōu)勢。

目前，大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)都對其相關(guān)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了深入的研究，但是當(dāng)應(yīng)用于低壓大電流輸出的場合時二次側(cè)整流電路的損耗占據(jù)了總損耗較大的比重。為了進(jìn)一步提高地變換效率和功率密度，同步整流技術(shù)在二次側(cè)得到廣泛的應(yīng)用。

1 三元件串聯(lián)LLC諧振變流器的工作原理

傳統(tǒng)LLC諧振變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電感L _r、諧振電容C _r、激磁電感L _m組成。圖2為其主要的理想工作波形，根據(jù)工作頻率的不同，我們可以把它分為三個模式，即斷續(xù)模式（f_w<f_s<f_r）、臨界模式（f_s=f_r）和連續(xù)模式（f_s>f_r），其中f_w為第一諧振頻率，f_r為第二諧振頻率，f_s為開關(guān)管工作頻率。

圖1 傳統(tǒng)的LLC諧振變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 LLC諧振變流器的主要工作波形

由圖2可知，當(dāng)變流器工作于斷續(xù)模式時，一次側(cè)開關(guān)驅(qū)動信號、變壓器繞組上的電壓與整流管中的電流不是處于同相位。采用一次側(cè)控制芯片信號外驅(qū)動或電壓型繞組自驅(qū)動等驅(qū)動方案都不能及時有效地關(guān)斷同步管，從而變流器將無法正常地工作于斷續(xù)模式。電流型驅(qū)動技術(shù)可以滿足各種工作模式的需要，但是驅(qū)動電路的設(shè)計相對較為復(fù)雜?，F(xiàn)有智能驅(qū)動控制芯片的驅(qū)動策略是通過檢測整流管漏源兩極的壓降以產(chǎn)生驅(qū)動控制信號，理論上這也能夠?qū)崿F(xiàn)變流器斷續(xù)模式的正常工作。但是由于同步管的導(dǎo)通壓降很小，芯片本身也具有較多限制，檢測電路容易受到干擾，其應(yīng)用范圍仍然相當(dāng)有限。因此對LLC諧振變流器的同步整流方案的研究仍是當(dāng)前的熱點(diǎn)及難點(diǎn)問題。

2 同步整流驅(qū)動技術(shù)

1）外驅(qū)動

外驅(qū)動一般是指同步整流管的驅(qū)動信號獨(dú)立于主電路，由外部電路產(chǎn)生。傳統(tǒng)的外驅(qū)動方式是根據(jù)一次側(cè)控制芯片的信號，通過隔離變壓器等給二次側(cè)的同步整流管（SR）提供驅(qū)動信號；另一種則通過比較電路，檢測SR的漏源極電壓（U _DS），產(chǎn)生驅(qū)動信號。目前市場上的智能同步整流驅(qū)動芯片就是采用這種控制策略。

（1）傳統(tǒng)型外驅(qū)動方案

傳統(tǒng)型外驅(qū)動方案如圖3所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于同步整流的驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動信號可靠；由于采用了隔離變壓器作為信號隔離電路，一次側(cè)MOS管VT1的驅(qū)動可以省略自舉電路。它的缺點(diǎn)在于變流器只能工作于臨界或者連續(xù)模式，限制了其電壓增益范圍。

圖3 傳統(tǒng)型外驅(qū)動

（2）檢測SR U_DS電壓型外驅(qū)動方案。

市場上現(xiàn)有的絕大部分智能同步整流驅(qū)動芯片都采用了檢測U _DS電壓信號的方法。如圖4所示。該驅(qū)動方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動電路簡單，變流器可以工作于不同的三種模式。但是同步整流驅(qū)動芯片對外圍電路的參數(shù)設(shè)計非常敏感，如SR的導(dǎo)通電阻、檢測電路中的引線電感及同步管的工作溫度等，因此容易受到外界的干擾，而且它也受到芯片本身的條件制約（芯片的工作頻率，關(guān)斷延時等）。因此它對PCB的布板設(shè)計和變流器的工作頻率等都有比較高的限制要求。圖5是一種采用分離元件組成的檢測U _DS電壓型驅(qū)動方案。其電路比較簡單，但同樣也比較容易受到干擾，而且二極管VD1與三極管VTd1的選擇比較困難。

圖4 同步整流驅(qū)動芯片方案

圖5 分離元件組成的U DS檢測電路

2）電壓型自驅(qū)動

電壓型自驅(qū)動方案如圖6所示。Na1、Na2為變壓器輔助繞組，直接為相應(yīng)的同步整流管提供驅(qū)動信號。此驅(qū)動方案要求變流器工作于臨界模式或者連續(xù)模式，而且要求變壓器的輔助繞組與相應(yīng)的S _R二次側(cè)繞組之間有比較好的耦合，減小驅(qū)動信號的延時。但另一方面，此方案又要求變壓器的兩個二次側(cè)繞組之間具有一定的漏感，以幫助兩個回路之間實(shí)現(xiàn)換流?？傊?，該方案的變壓器漏感設(shè)計和整機(jī)變換效率的優(yōu)化很難折中考慮，功率變壓器的設(shè)計困難，不利于實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用。

圖6 電壓型自驅(qū)動方案

3）電流型驅(qū)動

圖7為幾種典型的電流型驅(qū)動方案。傳統(tǒng)的電流型驅(qū)動方案如圖7（a）所示，整個驅(qū)動電路包括一個電流互感器（CT）和一個電壓箝位電路。電路通過電流互感器對電流信號進(jìn)行采樣，并給同步管提供相應(yīng)的驅(qū)動信號，多余的驅(qū)動能量被箝位電路消耗。該驅(qū)動電路比較簡單，但是有較大的驅(qū)動損耗，限制了變流器效率的提高。因此有文獻(xiàn)提出了具有剩余驅(qū)動能量回饋功能的電流型驅(qū)動方案，如圖7（b）所示。該驅(qū)動電路中多余的驅(qū)動能量能通過輔助繞組回饋到主電路，從而可以較大的減少驅(qū)動電路的損耗，并簡化電流互感器的設(shè)計，但是多繞組的電流互感器大大增加了生產(chǎn)成本。另有文獻(xiàn)提出了一種更為簡單的電流型驅(qū)動方案，如圖7（c）所示。該方案的電流互感器只需一個副邊繞組，同時也具有剩余驅(qū)動能量回饋的功能，更加有利于實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。通過三極管VTd1,它可以準(zhǔn)確地檢測同步整流管應(yīng)該關(guān)斷的時刻，從而保證了同步整流電路的可靠性。

圖7 幾種典型的電流驅(qū)動方案

4）驅(qū)動方式比較

我們將上述驅(qū)動方法做了一個比價和總結(jié)，如表1所示。從表中可以看出，采用檢測U DS電壓型外驅(qū)動和電流型驅(qū)動，變流器可工作于全頻率范圍，符合寬輸入LLC諧振變流器工作于全頻率范圍的要求。

表1 不同的同步整流管驅(qū)動方案比較

3 改進(jìn)的電流型同步整流方案

1）一次側(cè)電流采樣方案

為了簡化電流型同步整流方案和二次側(cè)布板走線，進(jìn)一步提高二次側(cè)效率和功率密度，這里分別先看一次側(cè)電流采樣方案，如圖8和圖9所示。

由于LLC諧振變流器的勵磁電流較大，導(dǎo)致一次側(cè)電流與二次側(cè)電流之間存在相位差，因此，可以采用補(bǔ)償電感L _comp對相位進(jìn)行補(bǔ)償，而有文獻(xiàn)則采用輔助變壓器對一次側(cè)電流進(jìn)行采樣。這兩種驅(qū)動方案都可以解決相位差問題，而且沒有增加大型的磁性元件，有利于提高效率和功率密度。

圖8 采用具有相位補(bǔ)償功能的一次側(cè)電流采樣方案

圖9 采用輔助變壓器的一次側(cè)電流采樣方案

2）一種新型的電流型同步整流驅(qū)動方案

本文針對倍壓整流結(jié)構(gòu)提出的一種新型的電流型同步整流方案，如圖10所示。通過一個雙繞組電流互感器，既解決了二次側(cè)上管驅(qū)動電路采樣的能量回饋問題，又減少了電流互感器的數(shù)量，有利于降低生產(chǎn)成本，提高變換效率及功率密度。圖11為斷續(xù)模式和臨界模式下的主要實(shí)驗(yàn)波形。

圖10 一種新型的電流型同步整流驅(qū)動方案

圖11 主要實(shí)驗(yàn)波形

4 新型的單封裝同步整流解決方案

為進(jìn)一步地提高功率密度，本文從電力電子系統(tǒng)集成的角度提出了一種新型的能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動信號檢測電路、驅(qū)動電路和半導(dǎo)體功率器件高度集成的單封裝同步整流結(jié)構(gòu)技術(shù)。為了能夠與現(xiàn)有肖特基整流二極管的布板結(jié)構(gòu)兼容，本文提出（且不限于）以下幾種管腳封裝結(jié)構(gòu)，如表2所示。

5 結(jié)束語

本文在對現(xiàn)有LLC諧振變流器同步整流方案進(jìn)行深入分析和比較的基礎(chǔ)上，總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并引入了新型的一次側(cè)電流采樣方案，提高變流器的變換效率和功率密度。本文針對LLC諧振變流器二次側(cè)倍壓整流結(jié)構(gòu)提出了一種新型的電流型同步整流方案，實(shí)現(xiàn)較好的變換效率及功率密度表現(xiàn)。為了能夠進(jìn)一步地提高功率密度，本文從電力電子系統(tǒng)集成的角度，提出了具有極高集成度的單封裝同步整流結(jié)構(gòu)技術(shù)。為在布線上實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前肖特基二極管整流的兼容，本文提出了幾種新型的單封裝同步整流解決方案。