LLC谐振变换器与不对称半桥变换器的对比

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。