LLC諧振變換器與不對稱半橋變換器的對比

1兩種變換器的工作原理

1.1不對稱半橋變換器

圖1和圖2分別給出了傳統(tǒng)的不對稱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ns1和ns2；半橋全波整流二級管d1和d2；輸出濾波電感l(wèi)d，電容cf。
　　
不對稱半橋（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/ns1，n2=np/ns2，且n1=n2=n。通過對電路的分析，可以得到傳統(tǒng)不對稱半橋變換器占空比d的計(jì)算公式　　

1.2llc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l(wèi)s，激磁電感l(wèi)m，lm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l(wèi)s和激磁電感l(wèi)m；半橋全波整流二極管d1和d2，輸出電容cf。
　　
llc變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下。
　　
1）〔t1，t2〕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l(wèi)s和cs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)cs和ls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，此時(shí)lm，ls和cs一起參與諧振。實(shí)際電路中因此，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l(wèi)s和cs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cs和ls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，此時(shí)lm，ls和cs一起參與諧振。實(shí)際電路中因此，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。
　　
通過上面的詳細(xì)分析，對這兩類軟開關(guān)型變換器的工作原理及其特性有了一定的了解，下面將對它們之間的差異進(jìn)行比較，進(jìn)一步加深對它們的認(rèn)識。

2兩種變換器差異的對比
　　
雖然不對稱半橋變換器和llc諧振變換器都是軟開關(guān)型變換器，但是，兩者有本質(zhì)的區(qū)別。不對稱半橋變換器是pwm型的，而llc諧振變換器是諧振型的，因此，它們在控制方法、副邊整流管的電壓應(yīng)力、原邊的電流應(yīng)力等方面有很大的差異，下面將對這些差異進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1控制方法的對比
　　
不對稱半橋變換器通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比來調(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)，開關(guān)管的占空比變化范圍也比較大，因此，不對稱半橋變換器的掉電維持時(shí)間特性比較差。

與不對稱半橋變換器相比，llc諧振變換器是通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來調(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，與不對稱半橋相比，它的掉電維持時(shí)間特性比較好，可以廣泛地應(yīng)用在對掉電維持時(shí)間要求比較高的場合。

2.2副邊整流管電壓應(yīng)力的對比

通過對不對稱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必須選用耐壓等級比較高的二極管，這樣就會增加電路的損耗?！　?/p>

相同條件下，llc諧振變換器中副邊二極管上的電壓應(yīng)力比不對稱半橋變換器小很多，因?yàn)椋趌lc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。

2.3副邊二極管的開通對比
　　
從對不對稱半橋變換器的分析可知其副邊二極管是硬開通，損耗比較大；而從對llc諧振變換器的分析可知其副邊二極管是零電流開關(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，在不對稱半橋變換器中上下開關(guān)管的占空比是互補(bǔ)的，因此，不對稱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有直流偏置現(xiàn)象。
　　
其次，llc諧振變換器是通過調(diào)開關(guān)管的工作頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，因此，對于llc諧振變換器來說，要實(shí)現(xiàn)同步整流控制比較復(fù)雜；而不對稱半橋變換器是通過調(diào)開關(guān)管的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，因此，對于不對稱半橋變換器來說，要實(shí)現(xiàn)同步整流控制比較簡單。

另外，通過對llc諧振變換器的分析，可知其電流應(yīng)力比較高；而在不對稱半橋變換器中電流應(yīng)力比較低。

3結(jié)語
　　
通過對不對稱半橋變換器和llc諧振變換器的分析和研究，對它們的控制方法，副邊整流管電壓應(yīng)力和副邊開通等進(jìn)行的對比，可以知道llc諧振變換器更能適合電源對高頻和高效率的發(fā)展需求。