《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LLC諧振變換器與不對(duì)稱(chēng)半橋變換器的對(duì)比
范洪峰,,楊益平,,呂征
摘要: 介 紹 了LLC諧 振 變 換 器 和 不 對(duì) 稱(chēng) 半 橋 變 換 器 兩 種 不 同 類(lèi) 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: 變頻|逆變 變換器 LLC 諧振
Abstract:
Key words :

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?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/諧振" title="諧振" target="_blank">諧振型的軟開(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(chēng)半橋變換器

    圖1和圖2分別給出了傳統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)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Cb,其上電壓作為S2開(kāi)通時(shí)的電源,;中心抽頭變壓器Tr,,其原邊匝數(shù)為Np,副邊匝數(shù)分別為Ns1Ns2,;半橋全波整流二級(jí)管D1和D2,;輸出濾波電感Ld,電容Cf,。

圖1    不對(duì)稱(chēng)半橋變換器

圖2    不對(duì)稱(chēng)半橋變換器的工作原理

    不對(duì)稱(chēng)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Ns1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Cb上的電壓加在變壓器的原邊,副邊Ns2工作,,二極管D1截止,。

    圖2中n1=Np/Ns1n2=Np/Ns2,,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(chēng)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Cs,副邊匝數(shù)相等的中心抽頭變壓器Tr,,Tr的漏感Ls,,激磁電感LmLm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Cs,,電感Ls和激磁電感Lm,;半橋全波整流二極管D1和D2,輸出電容Cf,。

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)〔t1t2〕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,,Lm上的電壓被輸出電壓鉗位,,因此,只有LsCs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)CsLs參與諧振,,而Lm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),,Tr副邊與電路脫開(kāi),,此時(shí)Lm,,LsCs一起參與諧振。實(shí)際電路中Lm>>Ls,,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,,Lm上的電壓被輸出電壓鉗位,,因此,只有LsCs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,,Tr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CsLs參與諧振,,Lm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),,Tr副邊與電路脫開(kāi),此時(shí)Lm,,LsCs一起參與諧振,。實(shí)際電路中Lm>>Ls,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(lèi)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(chēng)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(chēng)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ā⒏边呎鞴艿碾妷簯?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(chēng)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(chēng)半橋變換器的掉電維持時(shí)間特性比較差。

圖 5    不 對(duì) 稱(chēng) 半 橋 占 空 比 變 化 圖

    與不對(duì)稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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。

    VD1=(2)

    VD2=(3)

圖6    不 對(duì) 稱(chēng) 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(chēng)半橋變換器小很多,,因?yàn)椋?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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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。

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