L6599控制的半橋LLC諧振變換器設(shè)計與實現(xiàn)

蓋國權(quán)，李東，王坤，賈義

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司巴彥淖爾電業(yè)局，內(nèi)蒙古巴彥淖爾015000；2.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司烏海電業(yè)局，內(nèi)蒙古烏海016000；3.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司錫林郭勒電業(yè)局，內(nèi)蒙古錫林浩特026000）

半橋DC/DC變換器結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，變壓器磁芯雙向磁化，電壓應(yīng)力低，非常適合應(yīng)用于中小功率的場合。硬開關(guān)技術(shù)使變換器高頻時開關(guān)損耗很大，嚴(yán)重影響變換器的效率。軟開關(guān)技術(shù)可降低開關(guān)損耗和線路的EMI（Electro-Magnetic Interference，電磁干擾），提高效率和功率密度，提高開關(guān)頻率從而減小變換器的體積?？刂菩蛙涢_關(guān)和緩沖型軟開關(guān)的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）變換器可降低開關(guān)損耗，但分別增加了變換器的控制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[1-6]。LLC諧振變換器[7]在主開關(guān)管ZVS（Zero Voltage Switch，零電壓開關(guān)）范圍、整流管電壓應(yīng)力、磁集成等方面優(yōu)于傳統(tǒng)PWM變換器，在循環(huán)能量和高輸入電壓時關(guān)斷電流等方面優(yōu)于傳統(tǒng)諧振變換器，非常適合應(yīng)用于高效率和高功率密度的場合，成為目前新型諧振變換器的典型代表。

1 工作原理

半橋LLC諧振變換器的主電路如圖1所示。2個主開關(guān)管S1和S2構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)，驅(qū)動信號是占空比為0.5的互補PFM（Pulse Frequency Modulation，脈沖頻率調(diào)制）信號，諧振電感Lr、變壓器勵磁電感Lm和諧振電容Cr組成1個諧振網(wǎng)絡(luò)，輸出側(cè)2個整流二極管VD1和VD2構(gòu)成零式全波整流電路，輸出直接接在濾波電容Co上。由于該電路存在3個儲能元件，諧振網(wǎng)絡(luò)中存在2個諧振頻率，一個是變壓器勵磁電感Lm不參與諧振時的諧振電感Lr與諧振電容Cr的諧振頻率，另一個是變壓器勵磁電感Lm參與諧振時的勵磁電感加上諧振電感Lr與諧振電容Cr的諧振頻率，即：

當(dāng)半橋LLC諧振變換器工作頻率在f2＜f＜f1范圍內(nèi)時，可實現(xiàn)Power MOSFET的ZVS和整流二極管的ZCS（Zero Current Switch，零電流開關(guān)）。

圖1 半橋LLC諧振變換器Fig.1 Half bridge LLC resonant converter

半橋LLC諧振變換器采用固定死區(qū)的互補調(diào)頻控制方式，利用變壓器的漏感和勵磁電感，與諧振電容諧振，實現(xiàn)主開關(guān)管的ZVS。LLC諧振變換器的優(yōu)點是：效率高，全負(fù)載范圍內(nèi)可實現(xiàn)主開關(guān)管ZVS；主開關(guān)管關(guān)斷電壓低，關(guān)斷損耗非常低；高輸入電壓下具有高效率，可在正常工作條件下對其進行優(yōu)化設(shè)計；二次側(cè)沒有濾波電感，二次側(cè)整流管電壓應(yīng)力低，其上電壓可減小到輸出電壓的1/2，且可實現(xiàn)ZCS；磁性元件能很容易集成到一個磁芯上，EMI??；較小的頻率變化范圍就可調(diào)節(jié)較寬的電壓增益范圍。

2 主要參數(shù)的計算和元器件的選用

實驗樣機的主要參數(shù)為：最大輸入電壓Udc，max=34 V、最小輸入電壓Udc，min=28 V、額定輸入電壓Udc，nom=32 V、額定輸出電壓Uo=0.5 V、額定輸出電流Io=20 A、串聯(lián)諧振頻率fr=220 kHz、最大頻率fmax=264 kHz。

1）變換器在額定輸入電壓時工作在串聯(lián)諧振頻率，變壓器的變比

式中：VF為整流二極管的正向壓降，設(shè)計中整流二極管選用40CPQ045，VF=0.43 V。

2）折算到變壓器原邊的等效電阻

3）利用變換器工作在最大輸入電壓和空載時的最大歸一化頻率，計算電感比

式中：Mmin為最小電壓增益；fn，max為最大歸一化工作頻率。4）整個工作范圍內(nèi)的最大品質(zhì)因數(shù)

式中：QZVS，1為最小輸入電壓和滿載情況下，主開關(guān)管工作在ZVS區(qū)的最大品質(zhì)因數(shù)；QZVS，2為最大輸入電壓和空載情況下，主開關(guān)管工作在ZVS區(qū)的最大品質(zhì)因數(shù)。

5）諧振元件參數(shù)

6）樣機控制芯片選用L6599，浮動的高端部分的電能由自舉電路[8-9]提供，自舉電路的壓降

式中：Qg為外部Power MOSFET的柵電荷，取15 nC；TCharge為升壓驅(qū)動的導(dǎo)通時間，它等于1/2開關(guān)周期減去死區(qū)時間TD；R（DS）ON為升壓DMOS管的導(dǎo)通電阻，典型值為150 Ω。

自舉電容大小

式中：KB為安全系數(shù)，取1；VCC為驅(qū)動電源電壓，取12 V。

根據(jù)以上的計算，高頻變壓器選用型號為EE16的TDK磁芯，原邊匝數(shù)為34，副變匝數(shù)均為2，可滿足高頻變壓器磁芯不飽和的要求。Power MOSFET選用IRF520，輸出濾波電容選用47 μF 50 V的電解電容1支。

3 實驗結(jié)果

根據(jù)文章以上的設(shè)計，研制了實驗樣機并進行了調(diào)試和完善，樣機原物如圖2所示。實驗樣機的兩路驅(qū)動電壓波形如圖3所示。由圖3可知兩路驅(qū)動電壓不對稱互補，上管由于其驅(qū)動方式為自舉驅(qū)動，浮動接地點為半橋中點，驅(qū)動電壓為4 V，下管驅(qū)動電壓為芯片電源電壓12 V，工作頻率在設(shè)計的220 kHz左右，驗證了控制電路設(shè)計的正確性。

圖2 實驗樣機圖Fig.2 Picture of experimental prototype

變壓器原副邊電壓波形如圖4、圖5所示。原副邊電壓波形為近似正弦波，可以說明變換器工作在諧振狀態(tài)，主開關(guān)管實現(xiàn)ZVS，驗證了諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算、諧振電容選用、變壓器磁芯氣隙長度調(diào)節(jié)的正確性。變換器輸入直流電壓為32 V，變壓器原邊電壓幅值約為28 V，副邊電壓幅值約為2 V，樣機變壓器變比約為14，與計算所得的變比17較接近，驗證了變壓器設(shè)計的正確性。

濾波前電壓波形如圖6所示。由于實驗樣機2個輸出整流二極管正向壓降相差0.05 V左右，加之設(shè)計的直流輸出電壓較小，故全波整流后波形出現(xiàn)了不對稱，但實驗結(jié)果能驗證零式全波整流電路設(shè)計的正確性。濾波后輸出電壓波形如圖7所示，輸出電壓約為0.5 V，驗證了文章設(shè)計的正確性與可行性。

圖3 驅(qū)動電壓波形Fig.3 Driving voltage waveform

圖4 變壓器原邊電壓波形Fig.4 Voltage waveform of transformer primary side

圖5 變壓器副邊電壓波形Fig.5 Voltage waveform of transformer secondary side

4 結(jié)論

文中首先簡要介紹了半橋LLC諧振變換器的工作原理和優(yōu)點，然后計算了主電路和控制電路的主要參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)計算結(jié)果選擇電力電子元器件，最后制作并完善了實驗樣機。樣機實現(xiàn)了變壓器漏感充當(dāng)諧振電感與變壓器勵磁電感和諧振電容諧振，主開關(guān)管實現(xiàn)ZVS，控制電路實現(xiàn)單管自舉驅(qū)動，驗證了文章的正確性與可行性。文章為后續(xù)研究奠定了理論和實驗基礎(chǔ)。

圖6 濾波前輸出電壓波形Fig.6 Output voltage waveform before filters

圖7 濾波后輸出電壓波形Fig.7 Output voltage waveform after filters

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