三種布局的半橋諧振變換器的分析研究

摘要：驅(qū)動電路的設(shè)計是LED照明設(shè)備中的核心部分，驅(qū)動電路的好壞直接影響到了光源是否高效節(jié)能工作。而基于不對稱式半橋諧振變換器設(shè)計的驅(qū)動電路在大功率LED中應(yīng)用較多，本文即針對不對稱式半橋諧振變換器進行了分析，橫向?qū)Ρ萐RC、PRC、LLC諧振變換器后，對性能最好的不對稱式半橋LLC諧振變換器做仿真分析，獲得了相關(guān)計算數(shù)據(jù)，驗證了LLC不對稱式半橋諧振器具有優(yōu)良性能，并提出了優(yōu)化方法。
關(guān)鍵詞：LLED驅(qū)動；不對稱；LLC諧振器；性能仿真

    近年來隨著“節(jié)能減排、低碳社會”的持續(xù)深入建設(shè)，LED照明技術(shù)得到了長足發(fā)展，LED(Light Emitting Diode)是一種新型半導(dǎo)體固態(tài)光源，具有節(jié)能環(huán)保、長壽命等顯著優(yōu)點，因此，在全球能源日趨緊張和環(huán)保壓力日益加劇的情況下，使用LED半導(dǎo)體照明是最佳選擇。作為LED照明最核心的部分，驅(qū)動電路也為了適應(yīng)不同市場不同要求而發(fā)展出眾多的設(shè)計架構(gòu)。不同的架構(gòu)直接影響著光源的發(fā)光效率和常態(tài)壽命。從目前已研發(fā)出的驅(qū)動電路品種來看，輸入整流-PFC調(diào)整-DC／DC-輸出端分塊已成為綜合情況最合理的設(shè)計模式。但是這種設(shè)計模式更多的是按經(jīng)驗摸索而來，還缺乏對局部電路深入的分析。本文就根據(jù)主流設(shè)計電路結(jié)構(gòu)，對驅(qū)動電路中重要組成部分-諧振變換器做細致對比分析，研究常用的3種諧振變換器各自特點。這3種諧振變換器分別：串聯(lián)諧振變換器(SRC)、并聯(lián)諧振變換器(PRC)、LLC型諧振變換器。其中LLC型諧振變換器為不對稱式半橋設(shè)計，橫向?qū)Ρ?種變換器特點后，針對理論分析最優(yōu)良的LLC型諧振變換器做電路仿真分析，得出電路相關(guān)參數(shù)，獲得了電路的仿真數(shù)據(jù)，驗證了電路功能，得出了LLC型不對稱式半橋諧振變換器在抑制驅(qū)動電路噪聲、減小對反饋電路和其它電路
結(jié)構(gòu)不良影響上具有較好作用。

1 3種變換器的基本分析
    LED驅(qū)動電路特別是大功率驅(qū)動電路中目前普遍要求實現(xiàn)增大功率密度，縮小設(shè)計尺寸的目標，但是這又和開關(guān)損耗這一存在事實相抵觸，于是出現(xiàn)了替代傳統(tǒng)變壓器-濾波器的諧振切換技術(shù)。諧振切換技術(shù)按正弦波處理功率，并且開關(guān)器件可以很方便地軟換向。因此，開關(guān)損耗和噪聲可大幅度減少。常規(guī)諧振器使用串聯(lián)的電感作為諧振網(wǎng)絡(luò)，負載連接有兩種基本結(jié)構(gòu)：串聯(lián)和并聯(lián)。
    對于串聯(lián)諧振變換器(SRC)，原理圖如圖1所示，整流負載網(wǎng)絡(luò)與一個LC諧振網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)。諧振網(wǎng)絡(luò)與負載作為一個分壓器，通過改變驅(qū)動電壓Vd的頻率，改變諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗。輸入電壓將分配到這部分阻抗和反射負載上。因為是一個分壓器，SRC直流增益始終小于1。在小負載條件下，負載阻抗相對于與諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗非常大，全部輸入電壓落在負載上。這使得我們很難在小負載條件下調(diào)節(jié)輸出。理論上，在沒有負載的情況下調(diào)節(jié)輸出，頻率會變?yōu)闊o限大。

    對于并聯(lián)諧振變換器(PRC)，原理圖如圖2所示，整流負載網(wǎng)絡(luò)與諧振電容是并聯(lián)的。由于負載同諧振網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)的，因此不可避免地存在著大量的循環(huán)電流。這使得人們難以在大功率場合下使用并聯(lián)諧振電路。
    為了解決傳統(tǒng)諧振變換器的局限性，提出了LLC諧振變換器。一般來說，LLC諧振拓撲包括3部分：方波發(fā)生器，諧振網(wǎng)絡(luò)和整流器網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

    對比常規(guī)諧振器，LLC型諧振變換器具有許多優(yōu)點。首先，它可以在輸入和負載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出，同時開關(guān)頻率變化相對很小。第二，它可以在整個運行范圍內(nèi)，實現(xiàn)零電壓切換(ZVS)。最后，所有寄生元件，包括所有半導(dǎo)體器件的結(jié)電容和變壓器的漏磁電感和激磁電感，都是用來實現(xiàn)ZVS的，工作原理和基波近似。圖3中，Lm是變壓器激磁電感，LLC諧振變換器的工作原理和傳統(tǒng)LC串聯(lián)諧振變換器是類似的。唯一不同的是，激磁電感相對較小，因此Lm和Cr之間的諧振會影響變換器的工作。由于激磁電感較小，存在著相當(dāng)大的勵磁電流(Im)。
    在方波發(fā)生器部份，通過每次切換以50％占空比交替驅(qū)動開關(guān)Q1和Q2產(chǎn)生方波電壓Vd。方波發(fā)生器級可設(shè)計成一個全橋或半橋型。
    諧振網(wǎng)絡(luò)包括一個電容器，變壓器的漏磁電感和激磁電感。諧振網(wǎng)絡(luò)可以過濾掉高次諧波電流。因此，即使方波電壓應(yīng)用于諧振網(wǎng)絡(luò)，基本上只有正弦電流允許流經(jīng)諧振網(wǎng)絡(luò)。電流(Ir)滯后于施加于諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓(也就是說，方波電壓(Vd)的基波施加到半橋上)，這允許零電壓開啟MOSFET。當(dāng)電流流經(jīng)反向并聯(lián)二極管時，MOSFET開啟電壓為零。
    整流網(wǎng)絡(luò)通過整流二極管和電容器調(diào)整交流電，輸出直流電壓。整流網(wǎng)絡(luò)可設(shè)計成一個帶有電容輸出濾波器的全波橋或中心抽頭結(jié)構(gòu)。
    相對于串聯(lián)、并聯(lián)布局方式，LLC諧振變換器調(diào)頻控制輸出電壓不受寬電壓輸入時占空比缺失的影響，副邊整流二極管零電流關(guān)斷克服反向恢復(fù)損耗，更以其同時兼具空載工作能力和適應(yīng)較寬輸入電壓的能力，理所當(dāng)然的受到業(yè)界的歡迎。

2 電路仿真分析

    在圖5中，fo是由Lr決定的諧振頻率，Cr由Lp決定的，fp由Cr決定。從仿真結(jié)果我們可以確認，合適的工作范圍是當(dāng)諧振頻率處于fo和fp之間的時候，即37～61 kHz之間。當(dāng)負載Q變小的時候，峰值增益頻率會隨之向fp移動，當(dāng)負載Q變大的時候，峰值增益頻率會向fo移動。

    如圖6所示，LLC諧振變換器中副邊二極管上的電壓應(yīng)力比較小，這是因為副邊二極管上的電壓應(yīng)力是輸出電壓的2倍，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。Q1此時實現(xiàn)了ZVS開通，副邊整流二極管是ZCS(零電流)關(guān)斷，而且此時的MOSFET的ZVS開通及整流二極管ZCS的關(guān)斷較為容易實現(xiàn)。這樣大大減小了電路中的損耗，提高了LLC變換器的效率，有些LLC變換器的效率甚至可以達到95％，這個效率相當(dāng)可觀。同時，LLC諧振變換器中上下開關(guān)管的占空比是相等的，從而導(dǎo)致變壓器不會產(chǎn)生直流偏置現(xiàn)象，從而輸出純凈的直流信號，驅(qū)動LED光源穩(wěn)定工作。這樣的優(yōu)點使得LLC式電路能夠較好的完成大功率LED驅(qū)動電路中的變換工作，實現(xiàn)高功率因數(shù)的目標。

3 優(yōu)化
    在實際電路中，由于通常會在LLC諧振變換器前端接入PFC級以保證輸入信號的穩(wěn)定，所以只需考慮輸出端，以實現(xiàn)優(yōu)化。而最重要的參數(shù)為Lm，下面即對Lm考慮優(yōu)化參數(shù)。在f=fr時，變換器有著最大的的變換效率，因此可以將最低輸出電壓時的頻率f設(shè)為fr，這樣整個電路任何時候的工作頻率都符合f<fr的條件，同時利用f=fr，即可求出任意負載時的最優(yōu)的Lm：
    當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時有Lm上電流ilm最大值
   
    另一方面要實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，必須在死區(qū)時間內(nèi)讓即將開通開關(guān)管的結(jié)電容放電直到電量放完，電壓降到零而已關(guān)斷的開關(guān)管則同時將其結(jié)電容充電電壓充到輸電壓，于是有
   
    另外，實驗證明在實際的半橋LLC諧振變換器設(shè)計中，磁芯材料也是決定Lm大小的因素之一，選擇合適的磁芯材料能達到Lm大小與變壓器自身損耗之間有一個比較優(yōu)化的組合，因此這也是優(yōu)化，Lm時需要考慮的。

4 結(jié)束語
    通過對3種布局的諧振器理論分析和LLC布局的電路仿真，驗證了LLC的電路功能，闡述了LLC布局方式優(yōu)點的內(nèi)部機理，最后提出了LLC諧振轉(zhuǎn)換器的最佳Lm優(yōu)化方法。