汪定華1,2,，李斌1,2，王文廷1,2

　?。?.中國電子科技集團第四十一研究所,，安徽 蚌埠 233006；2.電子信息測試技術(shù)安徽省重點實驗室,，安徽 蚌埠 233006）

        摘要：LLC諧振半橋變換器可以在寬電壓范圍內(nèi)全負(fù)載條件下實現(xiàn)軟開關(guān),，在整個工作過程中，實現(xiàn)初級MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）和次級整流二極管零電流開關(guān)（ZCS）,。因此可以達到較高的效率和功率密度,，而且在負(fù)載和輸入電壓范圍變化較大的情況下，其開關(guān)頻率變化較小,。文中首先分析了LLC諧振半橋變換器的工作原理,，并基于TI公司的UCC29950芯片設(shè)計了一種300 W電源樣機，該芯片集成了PFC和LLC控制器,。文章重點介紹了LLC諧振半橋變換器的參數(shù)設(shè)計,，實驗結(jié)果表明該電源性能優(yōu)良。

　　關(guān)鍵詞：LLC,；諧振半橋,；軟開關(guān)

　　中圖分類號：TM919文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.029

　　引用格式：汪定華，李斌,，王文廷.基于UCC29950的LLC諧振半橋電源的設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用,，2017,36（7）：98-101.

0引言

　　隨著測量儀器小型化、輕量化的發(fā)展,，高效率高功率密度的電源變換器已成為電源發(fā)展的趨勢［1］,。

　　提高功率密度最有效的方式就是提高開關(guān)頻率，高頻下的磁性元件體積會大幅度減小,，但頻率的提高會使開關(guān)管的開關(guān)損耗加大,，對變換器的效率造成影響［2］。采用高頻工作將大大降低無源器件的尺寸,，如變壓器和電感器等,。但隨之而來的開關(guān)損耗對高頻工作帶來了不利影響,，嚴(yán)重制約了開關(guān)頻率的不斷提高。為減少開關(guān)損耗和整流損耗,，提高開關(guān)電源變換器的工作效率,，因此提出了諧振軟開關(guān)技術(shù)。LLC諧振變換器電路結(jié)構(gòu)簡單,，能實現(xiàn)初級主開關(guān)管的零電壓（ZVS）導(dǎo)通和次級整流管的零電流（ZCS）關(guān)斷,，設(shè)計相對簡單。同時,，電流波形呈正弦化,，開關(guān)損耗和噪聲可大幅度減少，有效地減少了電磁輻射的干擾,。

1LLC諧振半橋變換器的基本工作原理

　　LLC諧振變換器［3］是在傳統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián)LC諧振變換器的基礎(chǔ)上改良產(chǎn)生的,，它既吸收了串聯(lián)諧振變換器諧振電容所起到的隔直作用和功率諧振回路電流隨負(fù)載輕重而變化以及輕載時效率較高的優(yōu)點，同時又兼具了并聯(lián)諧振變換器可以工作在空載條件下,，對濾波電容的電流脈動要求小的特點,，是一種比較理想的諧振變換器拓?fù)洌?］。一般來說,，LLC諧振半橋變換器包括三部分［5］,，如圖1所示。

　　圖1LLC諧振半橋變換器主電路（1）方波發(fā)生器：每次切換都以50％占空比交替驅(qū)動開關(guān)Q1和Q2,，從而產(chǎn)生方波電壓Ud,。UO1由交流電壓整流并經(jīng)過功率因數(shù)校正獲得，從而提供更高且穩(wěn)定的直流電壓,，同時也減小了電流應(yīng)力,，降低了諧波污染。

　?。?）諧振網(wǎng)絡(luò)：包含串聯(lián)諧振電感Lr,、并聯(lián)諧振電感Lm和串聯(lián)諧振電容Cr。 Lm可以用變壓器的勵磁電感來實現(xiàn),，當(dāng)方波電壓Ud作用在諧振網(wǎng)絡(luò)上時,，只允許正弦電流通過諧振網(wǎng)絡(luò)。因此,，諧振電流Ir相對方波電壓Ud延遲作用于諧振網(wǎng)絡(luò),，這為開關(guān)管的零電壓開通創(chuàng)造了條件。諧振網(wǎng)絡(luò)可以濾掉高次諧波電流,，LLC諧振半橋變換器的典型波形如圖2所示,，當(dāng)電流流經(jīng)反向并聯(lián)二極管時，開關(guān)管開啟電壓為零。

　?。?）整流濾波網(wǎng)絡(luò)：通過二極管整流和電容器濾波儲能,，實現(xiàn)輸出直流電壓穩(wěn)定。

　　LLC諧振半橋變換器有兩個不同的諧振頻率,，當(dāng)變壓器的勵磁電感Lm不參與電路諧振時，變換器的諧振頻率定義為fr,，如式（1）所示：

　　當(dāng)變壓器的勵磁電感Lm參與電路諧振時,，變換器的諧振頻率定義為fm，如式（2）所示：

　　當(dāng)工作頻率fs<fm時,，諧振變換器初級的開關(guān)管既不能實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通,，次級整流二極管也不能實現(xiàn)零電流關(guān)斷，實際設(shè)計時要避免電源工作在這個區(qū)域,；當(dāng)工作頻率fr<fs時,，諧振變換器初級的開關(guān)管可以實現(xiàn)零電壓開通，但是次級的整流二極管電流連續(xù),，無法實現(xiàn)零電流關(guān)斷,；當(dāng)工作頻率fm<fs<fr時，諧振變換器在全負(fù)載范圍內(nèi),，諧振電路的開關(guān)管可以實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通,，二極管可以實現(xiàn)零電流關(guān)斷。因此在電路設(shè)計時,，應(yīng)使開關(guān)管的工作頻率盡量落在fm<fs<fr區(qū)間,。

2UCC29950芯片介紹

　　UCC29950是美國TI公司設(shè)計的一款集成高效功率因數(shù)校正(PFC)和半橋諧振邏輯鏈路控制(LLC)組合控制器的芯片，該芯片典型應(yīng)用電路如圖3所示,。100 kHz固定PFC頻率,，具有抖動特性，憑借專有PFC算法,，系統(tǒng)能夠獲得高效率,、更小的轉(zhuǎn)換器尺寸以及高功率因數(shù)等諸多優(yōu)勢。固定LLC頻率工作范圍為70 kHz~350 kHz,，集成的LLC控制器可實現(xiàn)高效DC-DC轉(zhuǎn)換器,，利用軟開關(guān)來降低電磁干擾(EMI)噪聲。該控制器包含一個啟動控制電路,，此電路采用耗盡型MOSFET且內(nèi)置器件電源管理功能,，可以最大程度降低外部元件需求，并且有助于降低系統(tǒng)實現(xiàn)成本,。為進一步降低待機功耗,，該控制器還集成了X-Cap放電電路。UCC29950實現(xiàn)了一整套系統(tǒng)保護功能，其中包括交流線路欠壓保護,、PFC總線欠壓,、PFC和LLC過流保護和熱關(guān)斷保護［6］。這款轉(zhuǎn)換器經(jīng)過了優(yōu)化,，非常便于使用,。

　　UCC29950芯片各引腳功能介紹如表1所示。

3LLC諧振半橋電源設(shè)計

　　本文設(shè)計的電源輸出功率為300 W,，輸出電壓為24 V,，設(shè)計紋波為200 mV，輸出電流為12.5 A,。PFC階段輸出電壓為390 V,，設(shè)計紋波為20 V。由于PFC控制比較簡單,，本文不再贅述,，重點介紹LLC諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)計。

　　3.1變壓器匝比確定

　　變壓器匝比由下式給出：

　　3.2原邊等效阻抗計算

　　等效阻抗由下式給出：

　　3.3確定諧振網(wǎng)絡(luò)的最小和最大增益

　　設(shè)PFC級輸出電壓UO1最小保持值為Uo1min=320 V,，Uo1最大值即Uo1max=400 V,，考慮電源的EMI特性及磁性材料選擇，本設(shè)計的工作頻率fs為110 kHz,。

　　諧振變換器的最小增益為：

　　3.4確定品質(zhì)因數(shù)Q

　　為了最大限度地降低開關(guān)頻率變化,，LLC諧振變換器一般運行在諧振頻率fr附近。將PFC額定輸出電壓的增益與諧振頻率fr處的增益對應(yīng),，該增益是Lm與Lr的比值Ln的函數(shù),，因此，必須選擇合適的Ln值以獲得最小增益,。然而,，一個小的Ln值仍可獲得較高的峰值增益，適合于寬的輸入電壓范圍,，但太小的Ln值會使得變壓器耦合性差,，效率低。Ln值較大時,，開關(guān)管在fr附近的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗低,，但峰值增益低可使獲得相同增益的頻率變化范圍寬。一般設(shè)置Ln的值位于3~7之間,，可使諧振頻率fr處的電壓增益為1.1~1.2［7］,。從LLC諧振峰值增益曲線圖4中選擇Ln=5時的Q值。

　　品質(zhì)因數(shù)Q由下式給出：

　　Q=LrCrRE（7）

　　考慮10%余量,，峰值增益至少為1.32,，從曲線上取得Q值為0.42,。

　　3.5諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計

　　諧振電容由下式給出，實際取Cr為36 nF,。

　　3.6電路設(shè)計

　　LLC諧振半橋主電路設(shè)計如圖5所示,，圖中省略了功率因數(shù)校正電路的設(shè)計。

4實驗波形

　　在Uo1=390 V滿載時,，測試初級開關(guān)管Q1的Ugs和Uds的波形,、諧振電感電流Ir波形如圖6所示，次級整流二極管D3的電壓和電流波形如圖7所示,。從圖中可以看出,，初級開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓開啟，次級整流二極管實現(xiàn)了零電流關(guān)斷,。

5結(jié)論

　　本文介紹了LLC諧振半橋變換器的工作原理，并采用集成PFC和LLC的高性能芯片UCC29950設(shè)計了一款高功率因數(shù)諧振電源,、輸出為直流24 Ｖ/12.5 Ａ的實驗樣機,。詳細(xì)介紹了諧振參數(shù)的設(shè)計。測試結(jié)果表明,，該變換器結(jié)構(gòu)簡單,，大大降低了開斷損耗，并且能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)初級開關(guān)管ZVS及次級整流二級管ZCS,，電源效率達到88％以上,，具有很好的應(yīng)用前景。

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