基于LLC的半桥零电压开关谐振变换器

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要: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:全谐振变换器 LLC 半桥 TEA1610 近代电子设备的发展,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。 图1 1 LLC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,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。因此,这种二元的谐振网络在实际应用中都有一定的限制。 图2 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。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简化模型如图2(b)所示,Rac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。 式中,λ=Ls/Lp; 利用Matlab对该模型进行仿真,用基波进行近似分析,可以初步分析由其工作特性,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(M<1),也有升压的工作区域(M>1),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/F0>1,众所周知,串联谐振的工作区域是Fs/F0>1,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/F0>1区域,在某些负载下可以工作在Fs/F0<1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。因此,LLC谐振网络有着其自身触特的优点。 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,在实现应用中,考虑到高频变压器实现结构,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 零电压半桥谐振控制器——TEA1610 TEA1610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。 TEA1610内部具有电平抬升电路,可以直接驱动上桥开关管;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地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,可以利用该管理添加一些保护电路。 为消除在启动瞬间的尖峰电流,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。 3 用TEA1610构建LLC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68μH,原边电感量为320μH。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为为设定启动频率的电阻,并且可以在该电阻上并联一个100mF的电容来实现软启动。因为TEA1610内部具有一个电平抬升电容,所以只需要外接一个小电容就可以实现直接驱动开关管理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。 图5 4 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80kHz~150kHz之前,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88%。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;在开管管关断时,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响应而发热,致使效率降低,因此原边的绕组应采用较细线径为好。 图6 图7(c)和图7(d)是在200W负载时原边电压和电流波形。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50~100pF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。 图7 本文介绍了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。
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