准谐振和谐振变换

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1、飞兆半导体特稿2009年6月准谐振和谐振转换：：：两种提高电源效率的技术：两种提高电源效率的技术作者：飞兆半导体欧洲分公司功率转换及工业系统部门市场开发经理JonHarper引言/摘要全球对能源成本上涨、环保和能源可持续性的关注正在推动欧盟、美国加州等地的相关机构相继推出降低电子设备能耗的规范。交流输入电源，不论是独立式的还是集成在电子设备中的，都会造成一定的能源浪费。首先，电源的效率不可能是100%的，部分能量在电源大负载工作时被浪费掉。其次，当负载未被使用时，连接交流线的电源会以待机功耗的形式消耗能量。近年来，对电源效率等级的要求

2、日趋严格。最近，80%以上的效率已成为了基本标准。新倡议的能效标准更是要求效率达到87%及以上。此外，只在满负载下测量效率的老办法已被淘汰。目前的新标准涉及了额定负载的25%、50%、75%和100%这四个点的四点平均水平。同样地，最大允许待机功耗也越来越受到限制，欧盟提议所有设备的待机功耗均应低于500mW，对于我们将讨论的电视机，则小于200mW。除专家级的高效率电源设计领域之外，电子设备中所用的功率范围从1W到500W的交流输入电源，一直以来主要采用两种拓扑：标准(或硬开关)反激式(flyback)拓扑，和双开关正激拓扑。这两种

3、拓扑都很易于理解，而它们存在的问题，以及如何予以避免，业界都已有充分的认识。不过，随着对效率的要求不断提高，这两种拓扑将逐渐为三种新的拓扑所取代：准谐振反激式拓扑、LLC谐振转换器拓扑和不对称半桥拓扑。准谐振反激式拓扑已被成功用于最低功率级到200W以上的范围。在70W-100W范围，LLC谐振转换器比准谐振反激式拓扑更有效。而在这两个功率级之上，不对称半桥转换器也很有效。工作原理准谐振和谐振拓扑都能够降低电路中的导通开关损耗。图1对比了连续传导模式(CCM)反激式、准谐振反激式和LLC谐振转换器的导通开关波形。所有情况下的开关损耗都

4、由下式表示：112PTurnOnLoss=VDSID×tON×fSW+COSSeffVDS×fSW22这里，PTurnOnLoss为开关损耗；ID为漏极电流；VDS是开关上的电压；COSSeff是等效输出电容值(包括杂散电容效应)；tON是导通时间，而fSW是开关频率。OutputdiodecurrentVVdropstozeroVDSDSDSOtherMOSFETVBUS+nVOturnedOFF1stvalleyVBUS2ndvalleytttIDIDIDMOSFETturnedONttta)CCMFlybackb)Quasi-R

5、esonantFlybackc)LLCResonanta)CCM反激式转换器b)准谐振反激式转换器c)LLC谐振转换器图1CCM反激式、准谐振反激式和LLC谐振转换器的开关波形比较CCM反激式转换器的开关损耗最高。对于输入电压范围很宽的设计，VDS在500V–600V左右，是输入电压VDC与反射输出电压VRO之和。进入不连续传导模式(DCM)时，漏电流降为零，开关损耗的第一项也随之降为零。在准谐振转换器中，若在电压波形的第一个(或后一个)波谷时导通，可进一步降低损耗。图中虚线所示为准谐振转换器在第一个谷底导通时的漏极波形。如果准谐振反

6、激式转换器的匝数比为20，输出电压为5V，则VRO等于100V，因此对于375V的总线电压，开关将在275V时导通。若有效输出电容COSSeff为73pF，开关频率fSW为66kHz，则损耗为0.18W：12PTurnOnLossmin=COSSeff×(VDC-VRO)×fSW2对于标准CCM反激式转换器，开关与漏极电压振铃不同步。在最坏的情况下，漏极电压大于VDC12PTurnOnLossmax=COSSeff×(VDC+VRO)×fSW2那么损耗将为0.54W。故对于非连续模式反激式转换器，功耗在0.18W和0.54W之间波动，

7、具体取决于时序。影响时序的因素有输入电压和输出电流，两者的优化组合可提高效率，反之会降低效率。对非连续模式反激式转换器，这常表现为满负载效率曲线的异常变化。这时，输入电压改变而输出电流(及电压)恒定。效率曲线随开关点前移而显示出波动。初级端电感的批次差异也会显示出变化，从而改变效率。谐振转换器采用了一种不同的技术来降低开关损耗。让我们回头再看看导通损耗公式，由式中可见，如果VDS设为零，就根本没有损耗，这个原理被称为零电压开关(ZVS)，用于谐振转换器，尤其是LLC谐振转换器，如图1所示。112PTurnOnLoss=VDSID×tO

8、N×fSW+COSSeffVDS×fSW22通过让电流反向流经开关，可实现零电压开关。当开关电流反向时，体(body)(或外部反向并联)二极管把电压钳位在一个低值，例如1V，这远低于前面提到的反激式转换器的400V。谐振