LLC谐振变换器与不对称半桥变换器的对比

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了LLC谐振变换器和不对称半桥变换器两种不同类型的软开关拓扑。分析了它们的工作原理,分别对它们的控制方法,副边整流管的电压应力和副边的开通等进行了比较,分析结果表明,LLC谐振变换器更适合高频化和高效率的要求。 关键词:LLC谐振变换器;不对称半桥变换器;电压应力 引言 随着开关电源的发展,软开关技术得到了广泛的发展和应用,已研究出了不少高效率的电路拓扑,主要为谐振型的软开关拓扑和PWM型的软开关拓扑。近几年来,随着半导体器件制造技术的发展,开关管的导通电阻,寄生电容和反向恢复时间越来越小了,这为谐振变换器的发展提供了又一次机遇。对于谐振变换器来说,如果设计得当,能实现软开关变换,从而使得开关电源具有较高的效率。 1 两种变换器的工作原理 1.1 不对称半桥变换器 图1和图2分别给出了传统的不对称半桥变换器的电路图和工作波形。图1中包括两个互补控制的功率MOSFET(S1和S2),其中S1的占空比为D,S2的占空比为(1-D);隔直电容Cb,其上电压作为S2开通时的电源;中心抽头变压器Tr,其原边匝数为Np,副边匝数分别为Ns1和Ns2;半桥全波整流二级管D1和D2;输出滤波电感Ld,电容Cf。不对称半桥(AHB)变换器的稳态工作原理如下。 图1 1)当S1导通S2关断时,变压器原边承受正向电压,副边Ns1工作;二极管D1导通,二极管D2截止; 2)当S2导通S1关断时,隔直电容Cb上的电压加在变压器的原边,副边Ns2工作,二极管D1截止。 图2中n1=Np/Ns1,n2=Np/Ns2,且n1=n2=n。通过对电路的分析,可以得到传统不对称半桥变换器占空比D的计算公式 1.2 LLC谐振变换器 图3和图4分别给出了LLC谐振变换器的电路图和工作波形。图3中包括两个功率MOSFET(S1和S2),其占空比都为0.5;谐振电容Cs,副边匝数相等的中心抽头变压器Tr,Tr的漏感Ls,激磁电感Lm,Lm在某个时间段也是一个谐振电感,因此,在LLC谐振变换器中的谐振元件主要由以上3个谐振元件构成,即谐振电容Cs,电感Ls和激磁电感Lm;半桥全波整流二极管D1和D2,输出电容Cf。 图2 LLC变换器的稳态工作原理如下。 1)〔t1,t2〕当t=t1时,S2关断,谐振电流给S1的寄生电容放电,一直到S1上的电压为零,然后S1的体二级管导通。此阶段D1导通,Lm上的电压被输出电压钳位,因此,只有Ls和Cs参与谐振。 2)〔t2,t3〕当t=t2时,S1在零电压的条件下导通,变压器原边承受正向电压;D1继续导通,S2及D2截止。此时Cs和Ls参与谐振,而Lm不参与谐振。 3)〔t3,t4〕当t=t3时,S1仍然导通,而D1与D2处于关断状态,Tr副边与电路脱开,此时Lm,Ls和Cs一起参与谐振。实际电路中LmLs,因此,在这个阶段可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变。 4)〔t4,t5〕当t=t4时,S1关断,谐振电流给S2的寄生电容放电,一直到S2上的电压为零,然后S2的体二级管导通。此阶段D2导通,Lm上的电压被输出电压钳位,因此,只有Ls和Cs参与谐振。 图3、4 5)〔t5,t6〕当t=t5时,S2在零电压的条件下导通,Tr原边承受反向电压;D2继续导通,而S1和D1截止。此时仅Cs和Ls参与谐振,Lm上的电压被输出电压箝位,而不参与谐振。 6)〔t6,t7〕当t=t6时,S2仍然导通,而D1和D2处于关断状态,Tr副边与电路脱开,此时Lm,Ls和Cs一起参与谐振。实际电路中Lm》Ls,因此,在这个阶段可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变。 通过上面的详细分析,对这两类软开关型变换器的工作原理及其特性有了一定的了解,下面将对它们之间的差异进行比较,进一步加深对它们的认识。 2 两种变换器差异的对比 虽然不对称半桥变换器和LLC谐振变换器都是软开关型变换器,但是,两者有本质的区别。不对称半桥变换器是PWM型的,而LLC谐振变换器是谐振型的,因此,它们在控制方法、副边整流管的电压应力、原边的电流应力等方面有很大的差异,下面将对这些差异进行详细分析。 2.1 控制方法的对比 不对称半桥变换器通过调节开关管的占空比来调节输出电压,图5给出了在不同的输入电压下的占空比变化情况,从图5可以看出当输入电压变化范围比较大时,开关管的占空比变化范围也比较大,因此,不对称半桥变换器的掉电维持时间特性比较差。 与不对称半桥变换器相比,LLC谐振变换器是通过调节开关频率来调节输出电压的,也就是在不同的输入电压下它的占空比保持不变,因此,与不对称半桥相比,它的掉电维持时间特性比较好,可以广泛地应用在对掉电维持时间要求比较高的场合。 2.2 副边整流管电压应力的对比 通过对不对称半桥变换器工作原理的分析,可以得到副边二极管上的电压应力的计算方法如式(2)及式(3)所示,这样当输入电压变化时,就可以了解副边二极管电压的变化情况。图6给出了输出电压为48V时副边整流管上电压变化情况。当输入电压比较高时,D2上的电压比较高,因此,D2必须选用耐压等级比较高的二极管,这样就会增加电路的损耗。 相同条件下,LLC谐振变换器中副边二极管上的电压应力比不对称半桥变换器小很多,因为,在LLC谐振变换器中副边二极管上的电压应力是输出电压的2倍,如图7所示。因此,在LLC谐振变换器中可以选择耐压比较低的二极管,从而可以提高电路的效率。 2.3 副边二极管的开通对比 从对不对称半桥变换器的分析可知其副边二极管是硬开通,损耗比较大;而从对LLC谐振变换器的分析可知其副边二极管是零电流开关,损耗比较小,这样就可以提高变换器的效率。 2.4 其他方面 首先,在不对称半桥变换器中上下开关管的占空比是互补的,因此,不对称半桥变换器中的变压器有直流偏置现象;而在LLC谐振变换器中上下开关管的占空比是相等的,因此,LLC谐振变换器中的变压器没有直流偏置现象。 其次,LLC谐振变换器是通过调开关管的工作频率来调节输出电压,因此,对于LLC谐振变换器来说,要实现同步整流控制比较复杂;而不对称半桥变换器是通过调开关管的占空比来调节输出电压,因此,对于不对称半桥变换器来说,要实现同步整流控制比较简单。 另外,通过对LLC谐振变换器的分析,可知其电流应力比较高;而在不对称半桥变换器中电流应力比较低。 3 结语 通过对不对称半桥变换器和LLC谐振变换器的分析和研究,对它们的控制方法,副边整流管电压应力和副边开通等进行的对比,可以知道LLC谐振变换器更能适合电源对高频和高效率的发展需求。
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