半橋LLC諧振設(shè)計多路輸出輔助電源

引言

隨著電力電子技術(shù)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(shè)計方法。

設(shè)計采用AC/DC-AC/DC的變換方案。不控整流后的直流電壓經(jīng)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(jù)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(yīng)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(guān)器件及二極管都實現(xiàn)軟開關(guān)，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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)的零電壓開通，實現(xiàn)軟開關(guān)特性，符合前端變換拓撲選擇的軟開關(guān)要求。

基于上述優(yōu)點，選擇半橋結(jié)構(gòu)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(guān)S1和S2組成了一個半橋結(jié)構(gòu)，驅(qū)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(wǎng)絡(luò)，該諧振網(wǎng)絡(luò)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(cè)，兩個整流二極管組成了一個全波整流的副邊結(jié)構(gòu)，直接接到輸出電容C0上。

設(shè)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(shù)來滿足輸入輸出的要求，這一組參數(shù)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(shè)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(yīng)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(guān)周期：

I0為最大輸出電流。

根據(jù)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(jù)式（3）的關(guān)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(shù)對頻率變化的比例常數(shù)。

根據(jù)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(shù)據(jù)手冊可以知道，UC3863是專為零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)的準諧振變換器設(shè)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(chǎn)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(qū)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(jù)芯片數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(qū)動及啟動電路

半橋電路的上下開關(guān)管驅(qū)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(qū)動電路來提供兩路互補信號。根據(jù)實際調(diào)試經(jīng)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(jié)電容放電，加速關(guān)斷過程，并且該電路可以+15V開通，-15V關(guān)斷。各點波形如圖4所示。

啟動電路的設(shè)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(guān)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(qū)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(qū)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(fù)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(jié)構(gòu)的輔助電源的一些特性。電路參數(shù)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(guān)M0S管 IRF840(500V/8A)；

諧振參數(shù) 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(jié)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(guān)鍵參數(shù)以及控制、驅(qū)動、啟動電路的設(shè)計。實驗結(jié)果驗證了設(shè)計的正確性。