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          開關(guān)頻率為1MHz的多諧振變換器

          作者: 時(shí)間:2005-10-25 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘要:分析了一種非常適合工作在超高頻下的多DC/DC。該的所有管工作在ZVS狀態(tài)下,所有整流二極管工作在ZCS狀態(tài)下。該結(jié)構(gòu)簡單,整個(gè)變換器只需一顆磁元件。并詳細(xì)分析了該變換器的超高頻適應(yīng)性。一個(gè)135V輸入,54V/3A輸出,高于的樣機(jī)驗(yàn)證了它的工作原理和超高頻適應(yīng)性。該樣機(jī)在額定條件下效率達(dá)到88.7%。

          關(guān)鍵詞:;軟;變換器

          引言

          輕小化是目前電源產(chǎn)品追求的目標(biāo)。而提高開關(guān)可以減小電感、電容等元件的體積。但是開關(guān)提高的瓶頸是開關(guān)器件的開關(guān)損耗,于是軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。目前應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù),變換器開關(guān)頻率已經(jīng)可以很輕松地超過100kHz。軟開關(guān)電路可以分為緩沖型和控制型兩種。緩沖型軟開關(guān)拓?fù)渫郊恿撕芏囝~外的線路,增加了成本,降低了可靠性,難以讓用戶接受??刂菩蛙涢_關(guān)不增加主電路的元器件,通過合理設(shè)計(jì)控制電路來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),比較容易讓用戶采用。目前,成熟的控制型軟開關(guān)電路并不多,典型的有移相全橋[1]、不對稱半橋[2]等。這些都是PWM型的變換器,通過邊緣來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),能夠降低開關(guān)損耗而基本不增加電壓或電流的有效值。然而,這一類電路很難真正地做到所有半導(dǎo)體器件(包括開關(guān)管和二極管)的軟開關(guān)。例如,移相全橋和不對稱半橋的整流二極管都是硬關(guān)斷的,有很嚴(yán)重的反向恢復(fù)問題。所以,這些電路無法工作在更高的開關(guān)頻率。因此,當(dāng)開關(guān)頻率要進(jìn)一步提高時(shí),還是比較適合用諧振型變換器。

          下面提出了一種多諧振的DC/DC變換器,開關(guān)頻率超過了。該變換器的所有半導(dǎo)體器件都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān),是超高頻變換器的一個(gè)很好的選擇。

          1 工作原理

          圖1所示是半橋結(jié)構(gòu)的LLC串聯(lián)多諧振變換器:兩個(gè)主開關(guān)S1和S2構(gòu)成一個(gè)半橋結(jié)構(gòu),其驅(qū)動(dòng)信號(hào)是占空比固定50%的互補(bǔ)信號(hào),通過改變開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的恒定。因此,這類諧振型變換器也可以歸類于控制型軟開關(guān)電路。電感Ls、電容Cs和變壓器的勵(lì)磁電感Lm構(gòu)成一個(gè)LLC諧振網(wǎng)絡(luò)。該諧振網(wǎng)絡(luò)連接在半橋的中點(diǎn)與地之間,因此,諧振電容Cs也起到隔直電容的作用。在輸出側(cè),整流二極管D1和D2構(gòu)成中心抽頭的整流電路,整流二極管直接連接到輸出電容Co上。

          圖1

          LC的本征諧振頻率定義為

          本文所述的LLC串聯(lián)多諧振變換器的開關(guān)頻率范圍為fmffs。

          在下面的分析中,Co被認(rèn)為是無窮大而以恒壓源Vo代替,主開關(guān)具有反向并聯(lián)的二極管。該變換器的一個(gè)開關(guān)周期可以分為6個(gè)工作階段,其等效電路如圖2所示。相應(yīng)的工作波形如圖3所示。6個(gè)工作階段的工作原理如下。

          圖2 各階段等效電路

          1)階段1〔t0~t1〕 在t0時(shí)刻S2關(guān)斷,諧振電流ir對S1的輸出電容放電,S1的漏-源電壓vds1開始下降,當(dāng)vds1下降到零,S1的體二極管導(dǎo)通。輸入電壓加在LLC串聯(lián)回路上。在副邊,變壓器繞組的極性為上正下負(fù),D1導(dǎo)通,Lm的電壓被輸出電壓Vo鉗位,諧振實(shí)際上發(fā)生在Ls與Cs之間,Lm上的電流im線性上升。

          2)階段2〔t1~t2〕 在t1時(shí)刻S1在零電壓條件下開通。im繼續(xù)線性上升,ir流經(jīng)S1并以正弦波形式逐漸上升。流過D1的輸出電流為諧振電流與勵(lì)磁電流之差。開關(guān)周期大于Ls與Cs的諧振周期,因此,在ir經(jīng)過半個(gè)諧振周期后,S1仍然處于開通狀態(tài)。當(dāng)ir下降到與im相等時(shí),D1電流因過零而關(guān)斷。該工作階段結(jié)束。

          圖3 主要工作波形

          由于加在Lm上的電壓為nVo,im可表示為

          式中:Im為勵(lì)磁電流的最大值;

          Vo為輸出電壓;

          n為變壓器原邊對副邊之匝比。

          3)階段3〔t2~t3〕 在t2時(shí)刻D1零電流條件下關(guān)斷。輸出側(cè)與諧振回路完全脫離。Lm的電壓不再受Vo限制,Lm與Ls串聯(lián)參與諧振。通常的電路設(shè)計(jì)Lm>>Ls,因此,諧振周期明顯變長。ir基本保持不變,可以認(rèn)為

          ir(t)=im(t)=Im (5)

          在該階段中,ir繼續(xù)對Cs充電,Cs的電壓繼續(xù)上升,一直到t3時(shí)刻,S1關(guān)斷,開始下半個(gè)工作周期。

          工作階段4、5、6與工作階段1、2、3類似。所不同的是諧振的初始能量由諧振電容Cs提供。工作波形與階段1、2、3完全對稱。

          4)階段4〔t3~t4〕 在t3時(shí)刻S1關(guān)斷,ir對S2的輸出電容放電,S2的漏-源電壓vds2開始下降,當(dāng)vds2下降到零,S2的體二極管導(dǎo)通。在副邊,變壓器繞組的極性為上負(fù)下正,D2導(dǎo)通,Lm的電壓被Vo鉗位,諧振實(shí)際上發(fā)生在Ls與Cs之間,Lm上的電流im線性下降。

          5)階段5〔t4~t5〕 在t4時(shí)刻S2在零電壓條件下開通。im繼續(xù)線性下降,ir流經(jīng)S2并以正弦波形式負(fù)向增長。流過D2的輸出電流為諧振電流與勵(lì)磁電流之差。在該工作頻率范圍內(nèi),開關(guān)周期大于Ls與Cs的諧振周期。因此,在ir經(jīng)過半個(gè)周期的諧振,S2仍然處于開通狀態(tài)。當(dāng)ir下降到與im相等時(shí),D2電流過因零而關(guān)斷。該工作階段結(jié)束。

          6)階段6〔t5~t6〕 在t5時(shí)刻D2零電流條件下關(guān)斷。輸出側(cè)與諧振回路完全脫離。Lm的電壓不再受Vo限制,Lm與Ls串聯(lián)參與諧振。ir基本保持不變,繼續(xù)對諧振電容Cs放電,Cs的電壓繼續(xù)下降,一直到t6時(shí)刻,S2關(guān)斷,新的工作周期開始。

          假定ir在t2到t3以及t5到t6保持不變,并以Im表示,那么輸出電壓Vo可以表示為

          式中:Vin為輸入電壓;

          T為開關(guān)周期;

          Ts為Cs和Ls的諧振周期,Ts=1/fs=

          從式(6)可以看出,輸出電壓隨著開關(guān)周期的增加而增加。

          2 高頻適應(yīng)性分析

          上面所分析的LLC多諧振變換器非常適合用于開關(guān)頻率非常高的場合,其原因如下。

          1)所有的開關(guān)管都工作在ZVS狀態(tài)下,開關(guān)損耗幾乎為零。開關(guān)管的零電壓是由激磁電感上的激磁電流對開關(guān)管的結(jié)電容充放電來實(shí)現(xiàn)的。所以,對于負(fù)載電流的變化,其零電壓開通的條件基本不會(huì)變化,這一點(diǎn)要優(yōu)于移相全橋等其它控制型軟PWM電路。另外,LLC多諧振變換器的激磁電感是作為其中一個(gè)諧振電感,用來調(diào)節(jié)輸入輸出電壓的關(guān)系,本身會(huì)設(shè)計(jì)得比較小。從通態(tài)損耗來看,這一點(diǎn)是不利的,但是,從軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件來看卻是非常有利,因此,在超高頻場合該電路非常有優(yōu)勢。ZVS的極限條件如式(7)所示(極限條件的意思是假設(shè)死區(qū)時(shí)間可以任意大,能實(shí)現(xiàn)ZVS的臨界條件)。

          式中:Coss1和Coss2分別是兩個(gè)開關(guān)管的輸出電容。

          再將式(4)代入式(7),可得ZVS的極限條件的進(jìn)一步的表達(dá)式為式(8)。

          實(shí)際上,在LLC多諧振變換器中,式(8)是非常容易滿足的,而死區(qū)時(shí)間也不會(huì)非常大,因此,可以近似認(rèn)為在死區(qū)時(shí)間內(nèi)激磁電感上的電流保持不變,即為一個(gè)恒流源在對開關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行充放電。在這種情況下的ZVS條件稱為寬裕條件,表達(dá)式為式(9)。

          式中:tdead為死區(qū)時(shí)間。

          再將式(4)代入式(9),可得ZVS的寬裕條件的進(jìn)一步的表達(dá)式為式(10)。

          2)所有的副邊二極管都工作在ZCS狀態(tài)下,反向恢復(fù)的影響很小。而普通的控制型軟PWM電路都只實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的軟開關(guān),而沒有很好地解決二極管的反向恢復(fù)問題,因此,在開關(guān)頻率非常高的場合(例如以上)使用起來還是有困難的。副邊二極管的電流波形近似為正弦,對于減少通態(tài)損耗來說是缺點(diǎn),但是應(yīng)用在超高頻的場合,開關(guān)損耗要比通態(tài)損耗難處理得多,所以,該電路應(yīng)用在超高頻的場合又有一個(gè)優(yōu)勢。

          3)普通的控制型軟PWM電路難以工作在1MHz以上的另外一個(gè)原因是,在高頻下變壓器漏感很難處理。特別是考慮到原副邊絕緣強(qiáng)度的時(shí)候,變壓器漏感很難做小,而在超高頻下,漏感的影響又是非常明顯。LLC多諧振變換器的漏感是作為其中一個(gè)諧振電感或是諧振電感的一部分,本身就希望能將漏感設(shè)計(jì)得大一些。在低頻場合通常難以設(shè)計(jì)出所需要的漏感而要外加一個(gè)諧振電感,而在高頻場合就比較容易設(shè)計(jì)出所需要的漏感。因此,這又是一個(gè)該電路適合用于超高頻場合的理由。

          3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

          一個(gè)開關(guān)頻率1MHz以上的DC/DC變換器驗(yàn)證了該多諧振變換器工作原理和高頻適應(yīng)性。

          該變換器的規(guī)格和主要參數(shù)如下:

          輸入電壓Vin 135V;

          輸出電壓Vo 54V;

          輸出電流Io 0~3A;

          最低工作頻率f 1MHz;

          主開關(guān)S1及S2 IRFP250;

          整流二極管D1及D2 30CPQ150;

          變壓器T n=13∶(7+7),Lm=15μH,Ls=6μH;

          諧振電容Cs 4.4nF(在高頻下Cs的實(shí)際容量要小于該值)。

          圖4給出了該變換器在不同負(fù)載下的變換效率。其最高效率達(dá)到了89.5%,滿載效率達(dá)到了88.7%。

          圖5是輸入135V時(shí)的主要實(shí)驗(yàn)波形。圖5(a)是滿載(3A)時(shí)S2的vds和vgs波形,可以看到,S2的驅(qū)動(dòng)電壓vgs是在vds電壓下降到零后才開始上升的,因此,是零電壓開通。S1的vds和vgs波形也是類似的,這里不一一給出了。圖5(b)是原邊的諧振電壓和電流波形,每半個(gè)周期有兩個(gè)諧振過程,分別是Cs和Ls的諧振、Cs和(Ls+Lm)的諧振。圖5(c)是整流二極管D1上的電壓和電流波形??梢钥吹剑娏魇且哉业男螤钪C振到零,但還是出現(xiàn)一定的反向恢復(fù)電流。這是因?yàn)殚_關(guān)頻率為1MHz,盡管是正弦的電流波形,但其di/dt還是相當(dāng)大的。若在同樣的頻率下?lián)Q成一般的PWM電路,反向恢復(fù)問題會(huì)更加嚴(yán)重。因此,使用普通的肖特基或快恢復(fù)二極管,一般的PWM電路也無法工作在1MHz的頻率下。這里的二極管電壓也會(huì)因?yàn)榉聪蚧謴?fù)而過沖,但是,其過沖電壓還是沒有超過2倍的輸出電壓,因此,這里可以用150V的肖特基二極管,這在一般的PWM電路中是無法做到的。

          圖6給出了該變換器在低頻下(120kHz)相對應(yīng)的工作波形,用來作為對比。可以看到除了二極管D1出現(xiàn)了一定的反向恢復(fù)電流外,1MHz開關(guān)頻率下的工作情況和在120kHz開關(guān)頻率下的工作情況基本相同,由此說明該電路的超高頻適應(yīng)性非常好。

          4 結(jié)語

          本文提出的LLC多諧振變換器的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS,整流二極管實(shí)現(xiàn)了ZCS,并且正好利用漏感來做諧振電感,因此,非常適合工作在超高頻開關(guān)下(1MHz以上)。整個(gè)變換器又非常簡單,只需一個(gè)磁性元件,因此,該變換器適用于超高功率密度的場合。




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