LLC諧振變換器與不對稱半橋變換器的對比

引言

隨著開關(guān)電源的發(fā)展，軟開關(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撲，主要為諧振型的軟開關(guān)拓撲和PWM型的軟開關(guān)拓撲。近幾年來，隨著半導體器件制造技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)管的導通電阻，寄生電容和反向恢復時間越來越小了，這為諧振變換器的發(fā)展提供了又一次機遇。對于諧振變換器來說，如果設(shè)計得當，能實現(xiàn)軟開關(guān)變換，從而使得開關(guān)電源具有較高的效率。

1 兩種變換器的工作原理

1.1 不對稱半橋變換器

圖1和圖2分別給出了傳統(tǒng)的不對稱半橋變換器的電路圖和工作波形。圖1中包括兩個互補控制的功率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開通時的電源；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；半橋全波整流二級管D1和D2；輸出濾波電感Ld，電容Cf。不對稱半橋（AHB）變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下。

圖1

    1）當S1導通S2關(guān)斷時，變壓器原邊承受正向電壓，副邊Ns1工作；二極管D1導通，二極管D2截止；

2）當S2導通S1關(guān)斷時，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。通過對電路的分析，可以得到傳統(tǒng)不對稱半橋變換器占空比D的計算公式

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在某個時間段也是一個諧振電感，因此，在LLC諧振變換器中的諧振元件主要由以上3個諧振元件構(gòu)成，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。

1）〔t1，t2〕當t=t1時，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的體二級管導通。此階段D1導通，Lm上的電壓被輸出電壓鉗位，因此，只有Ls和Cs參與諧振。

2）〔t2，t3〕當t=t2時，S1在零電壓的條件下導通，變壓器原邊承受正向電壓；D1繼續(xù)導通，S2及D2截止。此時Cs和Ls參與諧振，而Lm不參與諧振。

3）〔t3，t4〕當t=t3時，S1仍然導通，而D1與D2處于關(guān)斷狀態(tài)，Tr副邊與電路脫開，此時Lm，Ls和Cs一起參與諧振。實際電路中Lm?Ls，因此，在這個階段可以認為激磁電流和諧振電流都保持不變。

4）〔t4，t5〕當t=t4時，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的體二級管導通。此階段D2導通，Lm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

    5）〔t5，t6〕當t=t5時，S2在零電壓的條件下導通，Tr原邊承受反向電壓；D2繼續(xù)導通，而S1和D1截止。此時僅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。

6）〔t6，t7〕當t=t6時，S2仍然導通，而D1和D2處于關(guān)斷狀態(tài)，Tr副邊與電路脫開，此時Lm，Ls和Cs一起參與諧振。實際電路中Lm》Ls，因此，在這個階段可以認為激磁電流和諧振電流都保持不變。

通過上面的詳細分析，對這兩類軟開關(guān)型變換器的工作原理及其特性有了一定的了解，下面將對它們之間的差異進行比較，進一步加深對它們的認識。

2 兩種變換器差異的對比

雖然不對稱半橋變換器和LLC諧振變換器都是軟開關(guān)型變換器，但是，兩者有本質(zhì)的區(qū)別。不對稱半橋變換器是PWM型的，而LLC諧振變換器是諧振型的，因此，它們在控制方法、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，下面將對這些差異進行詳細分析。

    2.1 控制方法的對比

不對稱半橋變換器通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，圖5給出了在不同的輸入電壓下的占空比變化情況，從圖5可以看出當輸入電壓變化范圍比較大時，開關(guān)管的占空比變化范圍也比較大，因此，不對稱半橋變換器的掉電維持時間特性比較差。

與不對稱半橋變換器相比，LLC諧振變換器是通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來調(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，與不對稱半橋相比，它的掉電維持時間特性比較好，可以廣泛地應(yīng)用在對掉電維持時間要求比較高的場合。

2.2 副邊整流管電壓應(yīng)力的對比

通過對不對稱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)力的計算方法如式（2）及式（3）所示，這樣當輸入電壓變化時，就可以了解副邊二極管電壓的變化情況。圖6給出了輸出電壓為48V時副邊整流管上電壓變化情況。當輸入電壓比較高時，D2上的電壓比較高，因此，D2必須選用耐壓等級比較高的二極管，這樣就會增加電路的損耗。

    相同條件下，LLC諧振變換器中副邊二極管上的電壓應(yīng)力比不對稱半橋變換器小很多，因為，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 副邊二極管的開通對比

從對不對稱半橋變換器的分析可知其副邊二極管是硬開通，損耗比較大；而從對LLC諧振變換器的分析可知其副邊二極管是零電流開關(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，在不對稱半橋變換器中上下開關(guān)管的占空比是互補的，因此，不對稱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有直流偏置現(xiàn)象。

    其次，LLC諧振變換器是通過調(diào)開關(guān)管的工作頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，因此，對于LLC諧振變換器來說，要實現(xiàn)同步整流控制比較復雜；而不對稱半橋變換器是通過調(diào)開關(guān)管的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，因此，對于不對稱半橋變換器來說，要實現(xiàn)同步整流控制比較簡單。

另外，通過對LLC諧振變換器的分析，可知其電流應(yīng)力比較高；而在不對稱半橋變換器中電流應(yīng)力比較低。

3 結(jié)語

通過對不對稱半橋變換器和LLC諧振變換器的分析和研究，對它們的控制方法，副邊整流管電壓應(yīng)力和副邊開通等進行的對比，可以知道LLC諧振變換器更能適合電源對高頻和高效率的發(fā)展需求。