三元件串聯(lián)LLC諧振變流器同步整流策略

摘 要：本文在歸納總結(jié)LLC諧振變流器現(xiàn)有同步整流技術(shù)的基礎(chǔ)上對各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較，并提出了新型的一次側(cè)電流采樣方案以及一種應(yīng)用于倍壓整流結(jié)構(gòu)的新型電流型同步整流技術(shù)。除此之外，本文還從電力電子系統(tǒng)集成的角度提出了新型的單封裝結(jié)構(gòu)同步整流技術(shù)解決方案。

0 引言

隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品需求的不斷擴(kuò)大，人們對其電源系統(tǒng)的便攜性提出了更高的要求。因此，高效率和高功率密度成為電力電子產(chǎn)品的一個重要發(fā)展趨勢。三元件串聯(lián)LLC諧振變流器在變換效率和功率密度方面具有突出的優(yōu)勢。

目前，大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)都對其相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，但是當(dāng)應(yīng)用于低壓大電流輸出的場合時二次側(cè)整流電路的損耗占據(jù)了總損耗較大的比重。為了進(jìn)一步提高地變換效率和功率密度，同步整流技術(shù)在二次側(cè)得到廣泛的應(yīng)用。

1 三元件串聯(lián)LLC諧振變流器的工作原理

傳統(tǒng)LLC諧振變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電感L r、諧振電容C r、激磁電感L m組成。圖2為其主要的理想工作波形，根據(jù)工作頻率的不同，我們可以把它分為三個模式，即斷續(xù)模式(fwfr)，其中fw為第一諧振頻率，fr為第二諧振頻率，fs為開關(guān)管工作頻率。

圖1 傳統(tǒng)的LLC諧振變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 LLC諧振變流器的主要工作波形

由圖2可知，當(dāng)變流器工作于斷續(xù)模式時，一次側(cè)開關(guān)驅(qū)動信號、變壓器繞組上的電壓與整流管中的電流不是處于同相位。采用一次側(cè)控制芯片信號外驅(qū)動或電壓型繞組自驅(qū)動等驅(qū)動方案都不能及時有效地關(guān)斷同步管，從而變流器將無法正常地工作于斷續(xù)模式。電流型驅(qū)動技術(shù)可以滿足各種工作模式的需要，但是驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)相對較為復(fù)雜?，F(xiàn)有智能驅(qū)動控制芯片的驅(qū)動策略是通過檢測整流管漏源兩極的壓降以產(chǎn)生驅(qū)動控制信號，理論上這也能夠?qū)崿F(xiàn)變流器斷續(xù)模式的正常工作。但是由于同步管的導(dǎo)通壓降很小，芯片本身也具有較多限制，檢測電路容易受到干擾，其應(yīng)用范圍仍然相當(dāng)有限。因此對LLC諧振變流器的同步整流方案的研究仍是當(dāng)前的熱點(diǎn)及難點(diǎn)問題。

2 同步整流驅(qū)動技術(shù)

1)外驅(qū)動

外驅(qū)動一般是指同步整流管的驅(qū)動信號獨(dú)立于主電路，由外部電路產(chǎn)生。傳統(tǒng)的外驅(qū)動方式是根據(jù)一次側(cè)控制芯片的信號，通過隔離變壓器等給二次側(cè)的同步整流管(SR)提供驅(qū)動信號;另一種則通過比較電路，檢測SR的漏源極電壓(U DS)，產(chǎn)生驅(qū)動信號。目前市場上的智能同步整流驅(qū)動芯片就是采用這種控制策略。

(1)傳統(tǒng)型外驅(qū)動方案

傳統(tǒng)型外驅(qū)動方案如圖3所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于同步整流的驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動信號可靠;由于采用了隔離變壓器作為信號隔離電路，一次側(cè)MOS管VT1的驅(qū)動可以省略自舉電路。它的缺點(diǎn)在于變流器只能工作于臨界或者連續(xù)模式，限制了其電壓增益范圍。

圖3 傳統(tǒng)型外驅(qū)動

(2)檢測SR UDS電壓型外驅(qū)動方案。

市場上現(xiàn)有的絕大部分智能同步整流驅(qū)動芯片都采用了檢測U DS電壓信號的方法。如圖4所示。該驅(qū)動方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動電路簡單，變流器可以工作于不同的三種模式。但是同步整流驅(qū)動芯片對外圍電路的參數(shù)設(shè)計(jì)非常敏感，如SR的導(dǎo)通電阻、檢測電路中的引線電感及同步管的工作溫度等，因此容易受到外界的干擾，而且它也受到芯片本身的條件制約(芯片的工作頻率，關(guān)斷延時等)。因此它對PCB的布板設(shè)計(jì)和變流器的工作頻率等都有比較高的限制要求。圖5是一種采用分離元件組成的檢測U DS電壓型驅(qū)動方案。其電路比較簡單，但同樣也比較容易受到干擾，而且二極管VD1與三極管VTd1的選擇比較困難。

圖4 同步整流驅(qū)動芯片方案

圖5 分離元件組成的U DS檢測電路