基于半橋LLC諧振變換器的多路輸出輔助電源設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)輔助電源高可靠性、高穩(wěn)定性、低電磁干擾的要求，詳細(xì)介紹了基于半橋LLC諧振變換器的多路輸出輔助電源關(guān)鍵參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)和啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)，主電路采用零電壓準(zhǔn)諧振變換器控制芯片UC3863控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。
關(guān)鍵詞：輔助電源；LLC諧振變換器；UC3863

O 引言
    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定、可靠、低EMI成為對(duì)輔助電源最基本的要求。本文詳細(xì)介紹了一種多路輸出，而且相互獨(dú)立的新型輔助電源的設(shè)計(jì)方法。
    設(shè)計(jì)采用AC/DC-AC/DC的變換方案。不控整流后的直流電壓經(jīng)過(guò)半橋變換電路逆變后，由高頻變壓器隔離降壓，最后通過(guò)整流輸出直流電壓。為了滿足對(duì)輔助電源的要求，系統(tǒng)主要由基于半橋LLC的諧振變換器，交流母線和全波整流組成。主電路采用零電壓準(zhǔn)諧振變換器控制芯片UC3863控制。

l 主電路及其控制電路
    根據(jù)輔助電源的一些特點(diǎn)，對(duì)電路拓?fù)溆兄韵碌囊螅?BR>    (1)高穩(wěn)定性，對(duì)輸入電壓的變化不敏感，也就是能適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍；
    (2)高效率，能把效率做到90％以上，所有開(kāi)關(guān)器件及二極管都實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，在可以穩(wěn)定的輸出電壓的同時(shí)，還要具有較低的EMI，對(duì)主電路不產(chǎn)生干擾。
    從文獻(xiàn)的半橋LLC諧振電路工作過(guò)程和原理分析中可以看出，半橋結(jié)構(gòu)的LLC諧振變換器在輸入電壓低時(shí)效率較低，在輸入電壓高時(shí)效率較高。這與傳統(tǒng)的PWM變換器止好相反，由于有這樣的效率特性，LLC諧振變換器輸入范圍可以很寬，這符臺(tái)前端變換拓?fù)溥x擇的第一個(gè)要求。
    與傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振變換器不同，LLC諧振變換器的變壓器的漏感Lm參與諧振過(guò)程，開(kāi)關(guān)頻率可以低于LC的本征諧振頻率，而且只需要高于LLC的本征諧振頻率便可以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)特性，符合前端變換拓?fù)溥x擇的軟開(kāi)關(guān)要求。
    基于上述優(yōu)點(diǎn)，選擇半橋結(jié)構(gòu)的LLC諧振變換器作為該輔助電源前級(jí)變換器的拓?fù)洹?BR>    半橋LLC諧振電路如圖1所示，兩個(gè)主開(kāi)關(guān)S1和S2組成了一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是固定占空比的互補(bǔ)信號(hào)，電感LS、電容Cs、電感Lm組成了一個(gè)LLC的諧振網(wǎng)絡(luò)，該諧振網(wǎng)絡(luò)連接在半橋的中點(diǎn)和地之間，因此諧振電容也起到隔直電容的作用。在輸出側(cè)，兩個(gè)整流二極管組成了一個(gè)全波整流的副邊結(jié)構(gòu)，直接接到輸出電容C0上。

    設(shè)計(jì)LLC諧振變換器的主要問(wèn)題就是選擇一組合適的諧振參數(shù)來(lái)滿足輸入輸出的要求，這一組參數(shù)包括變壓器的變比n，串聯(lián)諧振電容Cs，串聯(lián)諧振電感Ls和勵(lì)磁電感Lm。依照文獻(xiàn)介紹的辦法，設(shè)汁步驟分別如下。
1.1 變壓器變比n
    變壓器的變比n可由式(1)決定，即

   

    當(dāng)工作頻率等于諧振頻率并且輸入輸出電壓滿足式(1)時(shí)，此時(shí)變換器具有最高的效率。因此，變比的選擇應(yīng)該是通常條件下的輸入輸出電壓滿足式(1)。
l.2 串聯(lián)諧振電容Cs
    串聯(lián)諧振電容既是隔直電容又是諧振電容，它將儲(chǔ)存諧振的能量，由于諧振的能量取決于輸出功率，Cs的值越小，其電壓就越高，因此，可以由它的電壓限制來(lái)確定其值的選取，對(duì)于半橋型的諧振電路，Cs的最大電壓Vc-max為

   
式中：Tmax為最大開(kāi)關(guān)周期：
    I0為最大輸出電流。
    根據(jù)最大允許的Vc-max便可以選取Cs的大小。
1.3 串聯(lián)諧振電感Ls
    在確定Cs的值后，可根據(jù)式（3）的關(guān)系確定Ls，即

   
式中：fs取值為變換器期待的工作頻率。
    由此可以確定Cs和Ls后，變換器將工作在Ls和Cs的諧振頻率上。
1.4 勵(lì)磁電感Lm
    勵(lì)磁電感Lm的大小影響著變換器的頻率變化的范圍和輸入輸出電壓范圍。由式(4)得到

   
式中：f是在輸入電壓為Vin和輸出電壓為V0情況下的工作頻率；
    fs是Ls與Cs的諧振頻率；
    L/Lm比值代表了變換器變換系數(shù)對(duì)頻率變化的比例常數(shù)。
    根據(jù)Vin和的V0變化范圍，以及期待的工作頻率的變化范圍就可以確定勵(lì)磁電感的大小。
1.5 控制電路
    LLC諧振電路是一個(gè)變頻電路。因此選用具有兩路互補(bǔ)輸出的變頻控制芯片UC3863來(lái)控制。
    由UC3863的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以知道，UC3863是專為零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)的準(zhǔn)諧振變換器設(shè)計(jì)的變頻控制芯片。主控制模塊包括一個(gè)誤差放大器(E/A)，一個(gè)壓控振蕩器(VCO)用于產(chǎn)生最大最小頻率，一個(gè)單穩(wěn)定時(shí)發(fā)生器(One Shot)。保護(hù)電路包括一個(gè)5.1V偏置電壓發(fā)生器，一個(gè)欠壓鎖定電路(UVL0)，故障軟啟動(dòng)電路。欠壓封鎖(UVL0)的作用是：當(dāng)供電電壓低于
UVLO的上限值時(shí)，芯片輸出脈沖為低電平，只有超過(guò)該上限值時(shí)，電源才為芯片提供電源輸出。該芯片的頻率范圍可達(dá)10kHz～1MHz，兩路推拉驅(qū)動(dòng)電流峰值可達(dá)lA，具有過(guò)零檢測(cè)、死區(qū)沒(méi)置、欠壓保護(hù)、故障管理等功能。芯片以及外部頻率電路如圖2所示。 

    芯片的頻率范圍由R3、R4、C4來(lái)決定，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)上給出的等式，有

   
    選擇R3及R4合適的值就來(lái)可以確定芯片實(shí)際運(yùn)行頻率范圍。死區(qū)由R5、C5來(lái)確定，由數(shù)據(jù)手冊(cè)上給出的最小死區(qū)時(shí)間等式：tmin=O.3R5C5，因此，就能計(jì)算大體的死區(qū)時(shí)間。

2 驅(qū)動(dòng)及啟動(dòng)電路
    半橋電路的上下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)并且有一定的死區(qū)時(shí)間，因此，可以使用圖3所示的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)提供兩路互補(bǔ)信號(hào)。根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，R1一般取20Ω左右，R2一般取2kΩ左右，二極管可以加速M(fèi)OSFET的結(jié)電容放電，加速關(guān)斷過(guò)程，并且該電路可以+15V開(kāi)通，-15V關(guān)斷。各點(diǎn)波形如圖4所示。
    啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，要求在輸入電壓最小時(shí)候能啟動(dòng)芯片UC3863，在最大輸入電壓的時(shí)候能滿足功耗要求即可。輸出電壓為lV，輸出電流不小于30mA。當(dāng)電源啟動(dòng)后，由反饋電路供電，啟動(dòng)電路自動(dòng)關(guān)閉以減少功耗。啟動(dòng)電路如圖5所示。

    電路的工作原理如下，當(dāng)電路接入市電后，三極管Q1通過(guò)電阻R6獲得足夠的基極電流而導(dǎo)通，輸入電壓通過(guò)R5和Q1對(duì)電容C1充電，同時(shí)通過(guò)二極管向控制電路和驅(qū)動(dòng)電路充電，當(dāng)輸出電壓到了10V以上，控制電路啟動(dòng)，電源正常工作，由反饋電路供電。啟動(dòng)期間三極管在向控制電路和驅(qū)動(dòng)電路供電的同時(shí)，還向電容C1充電，開(kāi)始充電電流比較大，流向UC3863的電流比較小，隨著時(shí)間的增加，充電電流逐漸減小，流向UC3863的電流逐漸增大，形成一個(gè)較軟的啟動(dòng)特性，這樣可以防止三極管被擊穿。失電以后，電容C1通過(guò)控制電路放電，下次啟動(dòng)重復(fù)這個(gè)過(guò)程。在正常工作后，由于電容C1上的端電壓被充電到了15V，使得三極管發(fā)射極的電位高于基極電位，三極管截止，啟動(dòng)電路停止電流的輸出，這樣可以減少啟動(dòng)電路的功耗。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    以一個(gè)12路輸出，l路反饋，每路輸出電壓15V，輸出電流O.2A的半橋LLC諧振電路為樣機(jī)，來(lái)研究基于半橋LLC結(jié)構(gòu)的輔助電源的一些特性。電路參數(shù)如下：
    輸入電壓 AC220(1±20％)V；
    整流后直流輸入Vin 248.9～367.5V；
    諧振頻率fman 200kHz；
    滿載輸出功率W0 39W；
    主開(kāi)關(guān)M0S管 IRF840(500V/8A)；
    諧振參數(shù) C4=4nF，Ls=70μH
             Lm=200μF，n=lO：l。
    電流波形如圖6所示，可以清楚的看到諧振電流平臺(tái)。從圖7中可以看出，電路實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文詳細(xì)介紹了一種采用零電壓準(zhǔn)諧振變換器控制芯片UC3863控制基于半橋LLC諧振變換器的多路輸出輔助電源，并給出了關(guān)鍵參數(shù)以及控制、驅(qū)動(dòng)、啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。