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1、.基于基于 LLCLLC 的半桥零电压开关谐振变换器的半桥零电压开关谐振变换器闫子波飞利浦电子中国集团， 上海 2000702008-07-31摘摘 要：要： 阐述了 LLC 谐振电路的工作原理和特点及其与其它一些谐振电路的比较，并且用 Matlab对 LLC 谐振进行了建模和仿真，分析了其工作区域。在此基础上，用 Philips 公司的零电压谐振控制器TEA1610 构建了一个 200W 的全谐振变换器。实验证明，该变换器具有转换效率高、EMI 小、不存在开关损耗等诸多优点，特别适合应用于音响、大屏幕液晶电视等产品中。关键词：关键词：全谐振变换器 LLC 半桥 TEA1610近代电子设备的发
2、展，对开关电源提出了诸如高频、小型化、低噪声以及高功率密度等方面的要求。谐振型开关电源由于不存在硬开关而具有效率高、EMI 小等特点，逐渐成为人们的研究热点。于是，准谐振、谐振开关、全谐振等结构应时而生。在针对减少开关损耗和降低噪声采取的各种方法中，负载参与谐振的全谐振结构是近十年来的研究热点。本文在分析 LLC 谐振特性的基础上，用 Philips 公司的 TEA1610构建一种基于半桥的 LLC 负载谐振变换器。1 1 LLCLLC 三元件谐振网络三元件谐振网络用两个元件组成的谐振拓朴结构主要有两种：并联结构和串联结构，分别如图 1(a)和图 1(b)所示。串联谐振在轻负载时具有较高的效率
3、，而在满负载时转换效率比较低；并联谐振则反之，在满负载时具有较高的转换效率，而在轻负载时转换效率比较低。而且串联谐振和并联谐振都要求较宽的频率范围1。因此，这种二元的谐振网络在实际应用中都有一定的限制。在二元件谐振网络的基础上，根据不同的应用可构建不同种类的三元件的谐振网络2。三元件谐振网络与二元件谐振网络相比有很多优点，比如在全负载范围内都具有较高的转换效率，而且频率变化范围比较窄等。本文主要介绍和分析由三元件 LLC 构成的谐振网络，其结构如图 2(a)所示。串联电感 Ls、并联电感 Lp和谐振电容 Cs组成 LLC 谐振网络，在此必须注意到负载也参与了谐振。对.其进行建模，LLC 简化模
4、型如图 2(b)所示，Ra c 为副边的负载折算到原边的等效负载，折算公式见式(1)。因为原边输入电压为方波，电流为近似正弦波，而变压器输出电压也是方波，电流也是正弦波，因此可以推导出其电压传递函数，如式(2)所示。利用 Matlab 对该模型进行仿真，采用基波进行近似分析，可以初步分析出其工作特性，如图 3 所示。从图 3 中可以看到，在整个频率范围内，既有降压的工作区域(M1)，也有升压的工作区域(M1)，因此 LLC 谐振有着较为广阔的应用范围。在轻负载时，工作频率逐渐升高，工作在降压区域内；而在重负载时，工作频率逐渐降低，工作在升压区域内。众所周知，串联谐振的工作区域是 Fs/Fo1，
5、才能工作在ZVS 的状态下。从图 3 中可以看到，在不同负载(即 Q 不同)下，为获得 ZVS 的工作条件，只要使之工作在虚线的右侧即可。而 LLC 谐振不仅仅局限于 Fs/Fo1 区域，在某些负载下可以工作在 Fs/Fo1 区域，同样可以获得零电压转换的工作状况。并且与串联谐振相比，在不同负载时的频率变化范围更小3。因此，LLC 谐振网络有着其自身独特的优点。通过上面的分析知道，LLC 谐振网络需要两个磁性元件 Ls和 Lp。然而，在实际应用中，考虑到高频变压器实际结构，可以把磁性元件 Ls和 Lp集成在一个变压器内，利用变压器的漏感作为 Ls，利用变压器的磁化电感作为 Lp。这样一来，可以
6、大大减少磁性元件数目。在设计时，只要重点设计变压器的漏感与变压.器磁化电感即可。因此，为增加漏感，需要在变压器中加入适当的气隙，并且控制变压器原副边的绕线方式，如图 4 所示。因为变压器的原边绕组与副边绕组是完全分离的，因此无须使用隔离胶带，这样有助于形体的小型化。2 2 零电压半桥谐振控制器零电压半桥谐振控制器TEA1610TEA1610TEA1610 是 Philips 公司推出的零电压全谐振半桥控制器，是采用高压 DMOS 工艺的芯片，高侧开关管的驱动耐压最大可达 600V，最大的振荡频率达 1MHz。其内部结构如图 5 所示4。TEA1610 内部具有电平抬升电路，可以直接驱动上桥开关
7、管；具有一个电流控制的振荡器，用来产生精确的振荡频率；为精确保证 50%占空比，振荡信号是在经过触发器后送到开关管的驱动极；内部具有死区补偿电路，通过外部电路可以控制死区时间；它还有一个关断管脚 SD，当该管脚上的电压超过 2.33V时，TEA1610 进入关机模式，切断开关信号。此时，只能使 VDD的电平低于 5.3V 才能重新启动。因此，可以利用该管脚添加一些保护电路。为消除在启动瞬间的尖锋电流，TEA1610 还具有软启动功能。在启动时，VCO 输出一个固定电平2.5V，利用该固定电平可以抬高起始振荡频率，从而避免启动瞬间的过电流5。3 3 用用 TEA1610TEA1610 构建构建
8、LLCLLC 谐振变换器谐振变换器LLC 谐振变换器原理图如图 6 所示。根据第二节中介绍的方法制作变压器，采用原副边分开绕制的方法增加漏感，利用该漏感作为谐振电感，控制漏感为 68H，原边电感量为 320H。图中 Cr 为谐振电容，一般选用聚丙烯类电容，在该电路中选用 47nF/1kV。C13 和 C17 为实现开关管零电压关断的吸收电容，在.此选用 470pF/1kV。C18 为振荡电容，需要根据所设定的频率进行调整，在此选用 220pF。电阻 R11 为死区调整电阻，而 R16 为设定最小工作频率的电阻。R14 为设定启动频率的电阻，并且可以在该电阻上并联一个 100nF 的电容来实现软
9、启动。因为 TEA1610 内部具有一个电平抬升电路，所以只需要外接一个小电容就可以实现直接驱动开关管 Q1。在完成高压启动后，辅助绕组接管 TEA1610 的 VDD，并且利用辅助绕组和TEA1610 的 SD 管脚实现过压检测及其它保护。4 4 实验结果实验结果用 TEA1610 构建的一个 LLC 谐振变换器，输出+/-26V，总功率为 200W。由无负载状态起至额定负载止的频率控制范围介于 80kHz150kHz 之间，图 7(a)显示了在空载 150kHz 时的电流三角波波形。副边采用肖特基二极管作为整流二极管时，在满负载的状况下，其效率可以达到 90%以上，在半载情况下效率达到 8
10、8%。这是因为在该变换器中，不存在开关损耗，只有导通损耗，如图 7(b)所示。在开关管开通时，电流流过其体二极管，此时开关管上的压降只有 1V 左右，基本上是零电压开通；在开关管关断时，通过开关管上并联一个电容来实现零电压关断。此时，导通损耗和副边整流二极管成为影响其效率的主要因素，当输入电压较低或输入电流较大时，由于主开关管内所导通的电流增多，会导致其效率的降低。由于变压器的一次侧和二次侧之间由绕线轴架予以隔开，所以变压器的泄漏磁通比较多，电线容易受泄漏磁通及邻近效应的影响而发热，致使效率降低，因此原边的绕组应采用较细线径为好。图 7(c)和图 7(d)是在 200W 负载时原边电压和电流波
11、形。从图中可以看到原边电流波形几乎是正弦波，副边电流同样是正弦波。由于在开关管内不存在硬开关，其 dV/dt 和 dI/dt 都比较小。因此，该变换器的.EMI 得到了很大的改善。另外，一般的高频变压器要求一次侧和二次侧具有较好的耦合。这样，一次侧和二次侧间的寄生电容介于 50100pF 之间。而 LLC 谐振变压器则采用一次侧和二次侧完全分开的方式，变压器的寄生电容甚小，一般小于 10pF。因此其传导干扰会更小。本文分析了 LLC 谐振网络的工作特性并阐述了 LLC 谐振网络变换器的变压器的设计方法，同时简单介绍了 Philips 公司的谐振控制器 TEA1610。最后用 TEA1610 构
12、建了一个 200W 半桥谐振变换器。实验结果表明，采用基于 LLC 谐振网络的半桥变换器具有 EMI 小、效率高等优点，与 PWM 控制变换器相比有着其独特的应用领域6。参考文献参考文献1 Robert L Steigerwald.A Comparison of Half-Bridge Resonant Converter Topologies.IEEE Transactions on Power Electronics,April 1988;3(2)2 Rudy Severns.Topologies for Three Element Resonant Converters.IEEE, 19903 M K Kazimierczuk 138(6)
