LLC諧振變換器與不對稱半橋變換器的對比

LLC諧 振 變 換 器 與不 對 稱 半 橋 變 換 器 的 對 比

摘 要 ： 介 紹 了LLC諧 振 變 換 器 和 不 對 稱 半 橋 變 換 器 兩 種 不 同 類 型 的 軟 開 關(guān) 拓 撲 。 分 析 了 它 們 的 工 作 原 理 ， 分 別 對 它 們 的 控 制 方 法 ， 副 邊 整 流 管 的 電 壓 應(yīng) 力 和 副 邊 的 開 通 等 進 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 稱 半 橋 變 換 器 ； 電 壓 應(yīng) 力

0??? 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(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，寄生電容和反向恢復(fù)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C_b，其上電壓作為S₂開通時的電源；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；半橋全波整流二級管D₁和D₂；輸出濾波電感L_d，電容C_f。

圖1??? 不對稱半橋變換器

圖2??? 不對稱半橋變換器的工作原理

??? 不對稱半橋（AHB）變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下。

??? 1）當S₁導(dǎo)通S₂關(guān)斷時，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S₂導(dǎo)通S₁關(guān)斷時，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

??? 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

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(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t=t₂時，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C_s和L_s參與諧振，而L_m不參與諧振。

??? 3）〔t₃，t₄〕當t=t₃時，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，此時L_m，L_s和C_s一起參與諧振。實際電路中L_m>>L_s，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(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t=t₅時，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t=t₆時，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，此時L_m，L_s和C_s一起參與諧振。實際電路中L_m>>L_s，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。

圖 5??? 不 對 稱 半 橋 占 空 比 變 化 圖

??? 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。

??? V_D1=（2）

??? V_D2=（3）

圖6??? 不 對 稱 半 橋 中 副 邊 二 級 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。

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

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(fù)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。