半橋LLC諧振設計多路輸出輔助電源

引言

隨著電力電子技術的發(fā)展，穩(wěn)定、可靠、低EMI成為對輔助電源最基本的要求。本文詳細介紹了一種多路輸出，而且相互獨立的新型輔助電源的設計方法。

設計采用AC/DC-AC/DC的變換方案。不控整流后的直流電壓經過半橋變換電路逆變后，由高頻變壓器隔離降壓，最后通過整流輸出直流電壓。為了滿足對輔助電源的要求，系統(tǒng)主要由基于半橋LLC的諧振變換器，交流母線和全波整流組成。主電路采用零電壓準諧振變換器控制芯片UC3863控制。

1 主電路及其控制電路

根據輔助電源的一些特點，對電路拓撲有著以下的要求：

(1)高穩(wěn)定性，對輸入電壓的變化不敏感，也就是能適應較寬的輸入電壓范圍；

(2)高效率，能把效率做到90％以上，所有開關器件及二極管都實現(xiàn)軟開關，在可以穩(wěn)定的輸出電壓的同時，還要具有較低的EMI，對主電路不產生干擾。

從文獻的半橋LLC諧振電路工作過程和原理分析中可以看出，半橋結構的LLC諧振變換器在輸入電壓低時效率較低，在輸入電壓高時效率較高。這與傳統(tǒng)的PWM變換器止好相反，由于有這樣的效率特性，LLC諧振變換器輸入范圍可以很寬，這符臺前端變換拓撲選擇的第一個要求。

與傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振變換器不同，LLC諧振變換器的變壓器的漏感Lm參與諧振過程，開關頻率可以低于LC的本征諧振頻率，而且只需要高于LLC的本征諧振頻率便可以實現(xiàn)主開關的零電壓開通，實現(xiàn)軟開關特性，符合前端變換拓撲選擇的軟開關要求。

基于上述優(yōu)點，選擇半橋結構的LLC諧振變換器作為該輔助電源前級變換器的拓撲。

半橋LLC諧振電路如圖1所示，兩個主開關S1和S2組成了一個半橋結構，驅動信號是固定占空比的互補信號，電感LS、電容Cs、電感Lm組成了一個LLC的諧振網絡，該諧振網絡連接在半橋的中點和地之間，因此諧振電容也起到隔直電容的作用。在輸出側，兩個整流二極管組成了一個全波整流的副邊結構，直接接到輸出電容C0上。

設計LLC諧振變換器的主要問題就是選擇一組合適的諧振參數來滿足輸入輸出的要求，這一組參數包括變壓器的變比n，串聯(lián)諧振電容Cs，串聯(lián)諧振電感Ls和勵磁電感Lm。依照文獻介紹的辦法，設汁步驟分別如下。

1.1 變壓器變比n

變壓器的變比n可由式(1)決定，即

當工作頻率等于諧振頻率并且輸入輸出電壓滿足式(1)時，此時變換器具有最高的效率。因此，變比的選擇應該是通常條件下的輸入輸出電壓滿足式(1)。

1.2 串聯(lián)諧振電容Cs

串聯(lián)諧振電容既是隔直電容又是諧振電容，它將儲存諧振的能量，由于諧振的能量取決于輸出功率，Cs的值越小，其電壓就越高，因此，可以由它的電壓限制來確定其值的選取，對于半橋型的諧振電路，Cs的最大電壓Vc-max為

式中：Tmax為最大開關周期：

I0為最大輸出電流。

根據最大允許的Vc-max便可以選取Cs的大小。

1.3 串聯(lián)諧振電感Ls

在確定Cs的值后，可根據式（3）的關系確定Ls，即

式中：fs取值為變換器期待的工作頻率。

由此可以確定Cs和Ls后，變換器將工作在Ls和Cs的諧振頻率上。

1.4 勵磁電感Lm

勵磁電感Lm的大小影響著變換器的頻率變化的范圍和輸入輸出電壓范圍。由式(4)得到

式中：f是在輸入電壓為Vin和輸出電壓為V0情況下的工作頻率；

fs是Ls與Cs的諧振頻率；

L/Lm比值代表了變換器變換系數對頻率變化的比例常數。

根據Vin和的V0變化范圍，以及期待的工作頻率的變化范圍就可以確定勵磁電感的大小。

1.5 控制電路

LLC諧振電路是一個變頻電路。因此選用具有兩路互補輸出的變頻控制芯片UC3863來控制。

由UC3863的數據手冊可以知道，UC3863是專為零電壓開關(ZVS)和零電流開關(ZCS)的準諧振變換器設計的變頻控制芯片。主控制模塊包括一個誤差放大器(E/A)，一個壓控振蕩器(VCO)用于產生最大最小頻率，一個單穩(wěn)定時發(fā)生器(One Shot)。保護電路包括一個5.1V偏置電壓發(fā)生器，一個欠壓鎖定電路(UVL0)，故障軟啟動電路。欠壓封鎖(UVL0)的作用是：當供電電壓低于UVLO的上限值時，芯片輸出脈沖為低電平，只有超過該上限值時，電源才為芯片提供電源輸出。該芯片的頻率范圍可達10kHz～1MHz，兩路推拉驅動電流峰值可達lA，具有過零檢測、死區(qū)沒置、欠壓保護、故障管理等功能。芯片以及外部頻率電路如圖2所示。

芯片的頻率范圍由R3、R4、C4來決定，根據芯片數據手冊上給出的等式，有

選擇R3及R4合適的值就來可以確定芯片實際運行頻率范圍。死區(qū)由R5、C5來確定，由數據手冊上給出的最小死區(qū)時間等式：tmin=O.3R5C5，因此，就能計算大體的死區(qū)時間。

2 驅動及啟動電路

半橋電路的上下開關管驅動信號互補并且有一定的死區(qū)時間，因此，可以使用圖3所示的驅動電路來提供兩路互補信號。根據實際調試經驗，R1一般取20Ω左右，R2一般取2kΩ左右，二極管可以加速MOSFET的結電容放電，加速關斷過程，并且該電路可以+15V開通，-15V關斷。各點波形如圖4所示。

啟動電路的設計，要求在輸入電壓最小時候能啟動芯片UC3863，在最大輸入電壓的時候能滿足功耗要求即可。輸出電壓為lV，輸出電流不小于30mA。當電源啟動后，由反饋電路供電，啟動電路自動關閉以減少功耗。啟動電路如圖5所示。

電路的工作原理如下，當電路接入市電后，三極管Q1通過電阻R6獲得足夠的基極電流而導通，輸入電壓通過R5和Q1對電容C1充電，同時通過二極管向控制電路和驅動電路充電，當輸出電壓到了10V以上，控制電路啟動，電源正常工作，由反饋電路供電。啟動期間三極管在向控制電路和驅動電路供電的同時，還向電容C1充電，開始充電電流比較大，流向UC3863的電流比較小，隨著時間的增加，充電電流逐漸減小，流向UC3863的電流逐漸增大，形成一個較軟的啟動特性，這樣可以防止三極管被擊穿。失電以后，電容C1通過控制電路放電，下次啟動重復這個過程。在正常工作后，由于電容C1上的端電壓被充電到了15V，使得三極管發(fā)射極的電位高于基極電位，三極管截止，啟動電路停止電流的輸出，這樣可以減少啟動電路的功耗。

3 實驗驗證

以一個12路輸出，l路反饋，每路輸出電壓15V，輸出電流O.2A的半橋LLC諧振電路為樣機，來研究基于半橋LLC結構的輔助電源的一些特性。電路參數如下：

輸入電壓 AC220(1±20％)V；

整流后直流輸入Vin 248.9～367.5V；

諧振頻率fman 200kHz；

滿載輸出功率W0 39W；

主開關M0S管 IRF840(500V/8A)；

諧振參數 C4=4nF，Ls=70μH，Lm=200μF，n=lO：l。

電流波形如圖6所示，可以清楚的看到諧振電流平臺。從圖7中可以看出，電路實現(xiàn)了零電壓開通。

4 結語

本文詳細介紹了一種采用零電壓準諧振變換器控制芯片UC3863控制基于半橋LLC諧振變換器的多路輸出輔助電源，并給出了關鍵參數以及控制、驅動、啟動電路的設計。實驗結果驗證了設計的正確性。