基于LLC諧振拓?fù)涞?40W通訊電源設(shè)計(jì)
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引言
諧振變換器因其可滿足開關(guān)電源的高開關(guān)頻率、高變換效率和高功率密度等發(fā)展趨勢(shì),近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注。串并聯(lián)諧振拓?fù)銵LC充分利用變壓器的寄生參數(shù)做為電路結(jié)構(gòu)中的一部分，從而降低了變壓器的設(shè)計(jì)難度。通過諧振電感，諧振電容，以及勵(lì)磁電感的多諧振方式可以比較容易地實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通和零電流關(guān)斷,從而大大降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。開關(guān)管的損耗是提高開關(guān)電源頻率的瓶頸，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開通就意味著可以提高開關(guān)頻率，從而降低磁性器件的體積以及輸出濾波電容。以便為開關(guān)電源的小型化及高功率密度提供可能。
1 LLC半橋的原理分析
基于半橋的LLC諧振拓?fù)湓谝粋€(gè)周期內(nèi)可工作于4種模式。圖1所示是LLC變換器電路的拓樸結(jié)構(gòu)及頻域模型。當(dāng)圖中的兩個(gè)開關(guān)管都處于關(guān)斷狀態(tài)，次級(jí)整流管未開通，勵(lì)磁電感、串聯(lián)諧振電感、串聯(lián)諧振電容以及兩個(gè)開關(guān)管的寄生電容Coss發(fā)生諧振時(shí)為模式一。此時(shí)在諧振的過程中，上管寄生電容Coss1肉放電，下管寄生電容Coss2也放電。當(dāng)Coss1放電完畢時(shí)，模式二開始工作，從而為上管的軟開通創(chuàng)造了條件;而在模式二時(shí)，上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷,整流管D1開通，勵(lì)磁電感被輸出電壓鉗位而不參與諧振。此模式下的輸出能量由輸入電源提供，同時(shí)勵(lì)磁電感也被儲(chǔ)能。此時(shí)其諧振頻率為：
當(dāng)電路處于工作模式三時(shí)，上下管都關(guān)斷，次級(jí)整流管也關(guān)斷，勵(lì)磁電感參與諧振，此時(shí)的諧振頻率為：
此模式下的輸出能量由次級(jí)輸出濾波電容提供。諧振過程中，上管寄生電容Coss1充電，下管寄生電容Coss2放電，這就為工作模式四時(shí)下管的零電壓開通創(chuàng)造了條件。當(dāng)下管寄生電容放電完畢，工作模式四便宣告開始;在工作模式四，上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，勵(lì)磁電感被輸出電壓鉗位，不參與諧振，諧振頻率與工作模式二相同。此模式時(shí)的輸出能量由串聯(lián)諧振電感以及諧振電容提供，串聯(lián)諧振電感能量釋放完畢后,此模式結(jié)束。
2 LLC變換器模型的建立及幅頻特性分析
在圖1中，圖1(a)是一個(gè)典型的LLC變換器電路拓?fù)洹Ｈ魧⒋渭?jí)負(fù)載等效到初級(jí)，那么，所得到的LLC變換器正弦穩(wěn)態(tài)分析頻域模型如圖1(b)所示。
若諧振腔的輸入電壓為Vin,諧振腔的輸出電壓為Vout。”,那么，其諧振網(wǎng)絡(luò)的小信號(hào)增益為：
另外，在不同的K、Q下，相同頻率對(duì)應(yīng)的曲線斜率也不同，斜率越大，則越大，也就是說(shuō),較大的輸入電壓范圍改變只對(duì)應(yīng)較小的頻率改變，這種狀態(tài)下,輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍較寬。表1所列是K值的大小及其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表。表2所列則是Q值的大小及其優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比情況。從表1和表2可以清楚地看出，K和Q對(duì)電路的影響。圖2所示為L(zhǎng)LC諧振電路的歸一化幅頻特性曲線。
3 時(shí)域仿真及測(cè)試
基于本文討論，可對(duì)諧振腔參數(shù)值形成一個(gè)定性的認(rèn)識(shí)，然后再根據(jù)經(jīng)典公式并結(jié)合時(shí)域仿真，就能確定最終的參數(shù)值。本文作者就據(jù)此制作了一臺(tái)240W樣機(jī)。樣機(jī)的主要參數(shù)為：輸入電壓240?300VDC(標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓為270V)，輸出電壓48V,諧振頻率90kHz,最大開關(guān)頻率為180kHz,死區(qū)時(shí)間為200ns。
通過時(shí)域仿真優(yōu)化可以得到最終參數(shù)設(shè)計(jì)值,其中串聯(lián)諧振電感值為50/zH,串聯(lián)諧振電容的值為50nF,勵(lì)磁電感為150 最后按照這些參數(shù)搭建的電路時(shí)域仿真模型如圖3所示。按照此模型設(shè)計(jì)的電路能夠正常穩(wěn)定地工作。實(shí)際搭建的電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為15ms,負(fù)載調(diào)整率可達(dá)士1%,電壓調(diào)整率可以達(dá)到士0.5%,滿載工作效率高達(dá)93%。通過示波器觀測(cè)可得到圖4所示的開關(guān)管GS及DS波形，由圖4可見，開關(guān)管GS及DS的波形沒有重疊區(qū)域，因而可很好地實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。本設(shè)計(jì)對(duì)于上下管可以不做任何散熱措施，其溫升僅20°C。
4 結(jié)語(yǔ)
本文通過基波近似結(jié)合時(shí)域仿真的方法優(yōu)化得到了LLC諧振腔的三個(gè)重要參數(shù)，并且成功地搭建了一臺(tái)240W的LLC通訊電源，同時(shí)很好地實(shí)現(xiàn)了半橋拓?fù)渖舷聝蓚€(gè)開關(guān)管的軟開關(guān)。本設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了諧振拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)，事實(shí)上，還可以考慮繼續(xù)提高工作頻率以達(dá)到更小體積和更高功率密度。
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