LLC半桥零电压开关谐振变换器

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1、基于LLC的半桥零电压开关谐振变换器闫子波飞利浦电子中国集团，上海2000702008-07-31　　摘　要：阐述了LLC谐振电路的工作原理和特点及其与其它一些谐振电路的比较，并且用Matlab对LLC谐振进行了建模和仿真，分析了其工作区域。在此基础上，用Philips公司的零电压谐振控制器TEA1610构建了一个200W的全谐振变换器。实验证明，该变换器具有转换效率高、EMI小、不存在开关损耗等诸多优点，特别适合应用于音响、大屏幕液晶电视等产品中。　　关键词：全谐振变换器LLC半桥TEA1610　　近代电

2、子设备的发展，对开关电源提出了诸如高频、小型化、低噪声以及高功率密度等方面的要求。谐振型开关电源由于不存在硬开关而具有效率高、EMI小等特点，逐渐成为人们的研究热点。于是，准谐振、谐振开关、全谐振等结构应时而生。在针对减少开关损耗和降低噪声采取的各种方法中，负载参与谐振的全谐振结构是近十年来的研究热点。本文在分析LLC谐振特性的基础上，用Philips公司的TEA1610构建一种基于半桥的LLC负载谐振变换器。1LLC三元件谐振网络　　用两个元件组成的谐振拓朴结构主要有两种：并联结构和串联结构，分别如图1(

3、a)和图1(b)所示。串联谐振在轻负载时具有较高的效率，而在满负载时转换效率比较低；并联谐振则反之，在满负载时具有较高的转换效率，而在轻负载时转换效率比较低。而且串联谐振和并联谐振都要求较宽的频率范围[1]。因此，这种二元的谐振网络在实际应用中都有一定的限制。　　在二元件谐振网络的基础上，根据不同的应用可构建不同种类的三元件的谐振网络[2]。三元件谐振网络与二元件谐振网络相比有很多优点，比如在全负载范围内都具有较高的转换效率，而且频率变化范围比较窄等。本文主要介绍和分析由三元件LLC构成的谐振网络，其结构如

4、图2(a)所示。 　　串联电感Ls、并联电感Lp和谐振电容Cs组成LLC谐振网络，在此必须注意到负载也参与了谐振。对其进行建模，LLC简化模型如图2(b)所示，Rac为副边的负载折算到原边的等效负载，折算公式见式(1)。因为原边输入电压为方波，电流为近似正弦波，而变压器输出电压也是方波，电流也是正弦波，因此可以推导出其电压传递函数，如式(2)所示。　　　　利用Matlab对该模型进行仿真，采用基波进行近似分析，可以初步分析出其工作特性，如图3所示。　　从图3中可以看到，在整个频率范围内，既有降压的工作区域(

5、M＜1)，也有升压的工作区域(M＞1)，因此LLC谐振有着较为广阔的应用范围。在轻负载时，工作频率逐渐升高，工作在降压区域内；而在重负载时，工作频率逐渐降低，工作在升压区域内。众所周知，串联谐振的工作区域是Fs/Fo＞1，才能工作在ZVS的状态下。从图3中可以看到，在不同负载(即Q不同)下，为获得ZVS的工作条件，只要使之工作在虚线的右侧即可。而LLC谐振不仅仅局限于Fs/Fo＞1区域，在某些负载下可以工作在Fs/Fo＜1区域，同样可以获得零电压转换的工作状况。并且与串联谐振相比，在不同负载时的频率变化范围

6、更小[3]。因此，LLC谐振网络有着其自身独特的优点。　　通过上面的分析知道，LLC谐振网络需要两个磁性元件Ls和Lp。然而，在实际应用中，考虑到高频变压器实际结构，可以把磁性元件Ls和Lp集成在一个变压器内，利用变压器的漏感作为Ls，利用变压器的磁化电感作为Lp。这样一来，可以大大减少磁性元件数目。在设计时，只要重点设计变压器的漏感与变压器磁化电感即可。因此，为增加漏感，需要在变压器中加入适当的气隙，并且控制变压器原副边的绕线方式，如图4所示。因为变压器的原边绕组与副边绕组是完全分离的，因此无须使用隔离胶

7、带，这样有助于形体的小型化。2零电压半桥谐振控制器——TEA1610　　TEA1610是Philips公司推出的零电压全谐振半桥控制器，是采用高压DMOS工艺的芯片，高侧开关管的驱动耐压最大可达600V，最大的振荡频率达1MHz。其内部结构如图5所示[4]。　　TEA1610内部具有电平抬升电路，可以直接驱动上桥开关管；具有一个电流控制的振荡器，用来产生精确的振荡频率；为精确保证50%占空比，振荡信号是在经过触发器后送到开关管的驱动极；内部具有死区补偿电路，通过外部电路可以控制死区时间；它还有一个关断管脚S

8、D，当该管脚上的电压超过2.33V时，TEA1610进入关机模式，切断开关信号。此时，只能使VDD的电平低于5.3V才能重新启动。因此，可以利用该管脚添加一些保护电路。　　为消除在启动瞬间的尖锋电流，TEA1610还具有软启动功能。在启动时，VCO输出一个固定电平2.5V，利用该固定电平可以抬高起始振荡频率，从而避免启动瞬间的过电流[5]。3用TEA1610构建LLC谐振变换器　　LLC谐振变换器原理图如图6所示