LLC諧振變換器與不對(duì)稱半橋變換器的對(duì)比

摘 要 ： 介 紹 了LLC諧 振 變 換 器 和 不 對(duì) 稱 半 橋 變 換 器 兩 種 不 同 類 型 的 軟 開(kāi) 關(guān) 拓 撲 。 分 析 了 它 們 的 工 作 原 理 ， 分 別 對(duì) 它 們 的 控 制 方 法 ， 副 邊 整 流 管 的 電 壓 應(yīng) 力 和 副 邊 的 開(kāi) 通 等 進(jìn) 行 了 比 較 ， 分 析 結(jié) 果 表 明 ，LLC諧 振 變 換 器 更 適 合 高 頻 化 和 高 效 率 的 要 求 。

關(guān) 鍵 詞 ：LLC諧 振 變 換 器 ； 不 對(duì) 稱 半 橋 變 換 器 ； 電 壓 應(yīng) 力

0    引言

    隨著開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展，軟開(kāi)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?fù)洌饕獮橹C振型的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浜蚉WM型的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?。近幾年?lái)，隨著半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻，寄生電容和反向恢復(fù)時(shí)間越來(lái)越小了，這為諧振變換器的發(fā)展提供了又一次機(jī)遇。對(duì)于諧振變換器來(lái)說(shuō)，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)變換，從而使得開(kāi)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(duì)稱半橋變換器

    圖1和圖2分別給出了傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋變換器的電路圖和工作波形。圖1中包括兩個(gè)互補(bǔ)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C_b，其上電壓作為S₂開(kāi)通時(shí)的電源；中心抽頭變壓器T_r，其原邊匝數(shù)為N_p，副邊匝數(shù)分別為N_s1和N_s2；半橋全波整流二級(jí)管D₁和D₂；輸出濾波電感L_d，電容C_f。

圖1    不對(duì)稱半橋變換器

圖2    不對(duì)稱半橋變換器的工作原理

    不對(duì)稱半橋（AHB）變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下。

    1）當(dāng)S₁導(dǎo)通S₂關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊承受正向電壓，副邊N_s1工作；二極管D₁導(dǎo)通，二極管D₂截止；

    2）當(dāng)S₂導(dǎo)通S₁關(guān)斷時(shí)，隔直電容C_b上的電壓加在變壓器的原邊，副邊N_s2工作，二極管D₁截止。

    圖2中n₁=N_p/N_s1，n₂=N_p/N_s2，且n₁=n₂=n。通過(guò)對(duì)電路的分析，可以得到傳統(tǒng)不對(duì)稱半橋變換器占空比D的計(jì)算公式

    D=（1）

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(gè)功率MOSFET（S₁和S₂），其占空比都為0.5；諧振電容C_s，副邊匝數(shù)相等的中心抽頭變壓器T_r，T_r的漏感L_s，激磁電感L_m，L_m在某個(gè)時(shí)間段也是一個(gè)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(gè)諧振元件構(gòu)成，即諧振電容C_s，電感L_s和激磁電感L_m；半橋全波整流二極管D₁和D₂，輸出電容C_f。

圖 3    LLC諧 振 變 換 器  [!--empirenews.page--]

圖 4    LLC諧 振 變 換 器 的 工 作 原 理

    LLC變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下。

    1）〔t₁，t₂〕當(dāng)t=t₁時(shí)，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(jí)管導(dǎo)通。此階段D₁導(dǎo)通，L_m上的電壓被輸出電壓鉗位，因此，只有L_s和C_s參與諧振。

    2）〔t₂，t₃〕當(dāng)t=t₂時(shí)，S₁在零電壓的條件下導(dǎo)通，變壓器原邊承受正向電壓；D₁繼續(xù)導(dǎo)通，S₂及D₂截止。此時(shí)C_s和L_s參與諧振，而L_m不參與諧振。

    3）〔t₃，t₄〕當(dāng)t=t₃時(shí)，S₁仍然導(dǎo)通，而D₁與D₂處于關(guān)斷狀態(tài)，T_r副邊與電路脫開(kāi)，此時(shí)L_m，L_s和C_s一起參與諧振。實(shí)際電路中L_m>>L_s，因此，在這個(gè)階段可以認(rèn)為激磁電流和諧振電流都保持不變。

    4）〔t₄，t₅〕當(dāng)t=t₄時(shí)，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(jí)管導(dǎo)通。此階段D₂導(dǎo)通，L_m上的電壓被輸出電壓鉗位，因此，只有L_s和C_s參與諧振。

    5）〔t₅，t₆〕當(dāng)t=t₅時(shí)，S₂在零電壓的條件下導(dǎo)通，T_r原邊承受反向電壓；D₂繼續(xù)導(dǎo)通，而S₁和D₁截止。此時(shí)僅C_s和L_s參與諧振，L_m上的電壓被輸出電壓箝位，而不參與諧振。

    6）〔t₆，t₇〕當(dāng)t=t₆時(shí)，S₂仍然導(dǎo)通，而D₁和D₂處于關(guān)斷狀態(tài)，T_r副邊與電路脫開(kāi)，此時(shí)L_m，L_s和C_s一起參與諧振。實(shí)際電路中L_m>>L_s，因此 ， 在 這 個(gè) 階 段 可 以 認(rèn) 為 激 磁 電 流 和 諧 振 電 流 都 保 持 不 變 。

    通過(guò)上面的詳細(xì)分析，對(duì)這兩類軟開(kāi)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(duì)它們之間的差異進(jìn)行比較，進(jìn)一步加深對(duì)它們的認(rèn)識(shí)。

2    兩種變換器差異的對(duì)比

    雖然不對(duì)稱半橋變換器和LLC諧振變換器都是軟開(kāi)關(guān)型變換器，但是，兩者有本質(zhì)的區(qū)別。不對(duì)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?cè)诳刂品椒?、副邊整流管的電壓?yīng)力、原邊的電流應(yīng)力等方面有很大的差異，下面將對(duì)這些差異進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1    控制方法的對(duì)比

    不對(duì)稱半橋變換器通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)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(dāng)輸入電壓變化范圍比較大時(shí)，開(kāi)關(guān)管的占空比變化范圍也比較大，因此，不對(duì)稱半橋變換器的掉電維持時(shí)間特性比較差。

圖 5    不 對(duì) 稱 半 橋 占 空 比 變 化 圖 [!--empirenews.page--]

    與不對(duì)稱半橋變換器相比，LLC諧振變換器是通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)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(duì)稱半橋相比，它的掉電維持時(shí)間特性比較好，可以廣泛地應(yīng)用在對(duì)掉電維持時(shí)間要求比較高的場(chǎng)合。

2.2    副邊整流管電壓應(yīng)力的對(duì)比

    通過(guò)對(duì)不對(duì)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(jì)算方法如式（2）及式（3）所示，這樣當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，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(shí)副邊整流管上電壓變化情況。當(dāng)輸入電壓比較高時(shí)，D₂上的電壓比較高，因此，D₂必須選用耐壓等級(jí)比較高的二極管，這樣就會(huì)增加電路的損耗。

    V_D1=（2）

    V_D2=（3）

圖6    不 對(duì) 稱 半 橋 中 副 邊 二 級(jí) 管 電 壓 應(yīng) 力 圖

    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(duì)稱半橋變換器小很多，因?yàn)?，?i>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。

圖 7    LLC變 換 器 中 副 邊 二 級(jí) 管 電 壓 應(yīng) 力 圖

2.3    副邊二極管的開(kāi)通對(duì)比

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

    其次，LLC諧振變換器是通過(guò)調(diào)開(kāi)關(guān)管的工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，因此，對(duì)于LLC諧振變換器來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)同步整流控制比較復(fù)雜；而不對(duì)稱半橋變換器是通過(guò)調(diào)開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，因此，對(duì)于不對(duì)稱半橋變換器來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)同步整流控制比較簡(jiǎn)單。

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

3    結(jié)語(yǔ)

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