基于L6599A的LLC半橋諧振變換器設(shè)計(jì)

顏川江,祝 新

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

基于L6599A的LLC半橋諧振變換器設(shè)計(jì)

顏川江,祝 新

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

LLC諧振變換器相對于其他拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、效率高、電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)。介紹了由L6563H及L6599A控制芯片構(gòu)成的半橋諧振變換器的方案，提出了一款150 W帶功率因素校正(PFC)功能的電源設(shè)計(jì)要求，闡述了LLC諧振變換器的工作原理，推導(dǎo)出LLC諧振變換器的計(jì)算公式，得到了諧振電容、串聯(lián)電感、激磁電感的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而計(jì)算出L6599A的外圍參數(shù)，對變壓器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)價(jià)值。

諧振變換器；零電壓開關(guān)；負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)

0 引 言

目前全世界都在提倡低炭環(huán)保、綠色能源，因此節(jié)能技術(shù)顯得尤為重要，傳統(tǒng)的開關(guān)電源將電網(wǎng)電源整流成直流，再通過硬開關(guān)電源變換成設(shè)定的電壓，這種方式會造成大量的電網(wǎng)電能損耗，因此帶功率因素校正(PFC)的軟開關(guān)電源將是理想之選。隨著開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，越來越多的軟開關(guān)技術(shù)被研究出來，其中不乏運(yùn)用廣泛的拓?fù)洌热鏛LC諧振電路、有源嵌位正激電路等等。LLC諧振電路具有許多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、功率密度較高、電磁干擾較低等。

目前LLC諧振電路廣泛用于航天、電子、通信、家電產(chǎn)品等領(lǐng)域。本文就是針對150 W中小功率的電源應(yīng)用，目前市場上帶PFC功能的AC/DC電源最小功率在300 W左右，價(jià)格昂貴。因此，自行開發(fā)此電源很有必要。

本文首先介紹了本變換器采用的電路形式，隨后重點(diǎn)推導(dǎo)了LLC諧振變換器的參數(shù)計(jì)算公式，以及在設(shè)計(jì)中必須保證零電壓開關(guān)(ZVS)的工作條件。推導(dǎo)完成之后，提出了150 W電源的設(shè)計(jì)要求，通過計(jì)算分析得出了LLC諧振電路的諧振電感、電容等參數(shù)，計(jì)算出變壓器的參數(shù)。本電路的諧振電感由變壓初級的漏感替代，因此變壓器增加了隔離槽，規(guī)定了變壓器的繞線方式。

1 電路方案選擇

電路的前級PFC電路主控芯片采用L6563H，電路的后級采用了L6599A，L6599A是一個用于諧振半橋拓?fù)潆娐返碾p端控制器。它提供50%的占空比，在同一時間高端和低端180°反相。輸出電壓通過調(diào)整工作頻率來實(shí)現(xiàn)。在高低端開關(guān)管的開關(guān)之間插入一個固定的死區(qū)時間來保證軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)和高頻開關(guān)狀態(tài)。L6563H和L6599A協(xié)同工作的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 變換器系統(tǒng)框圖

前級PFC電路采用BOOST拓?fù)?，將電流設(shè)計(jì)成臨界連續(xù)模式(CRM)，在300 W以內(nèi)，CRM具有比較大的優(yōu)勢。DC/DC部分的電路采用半橋LLC型串聯(lián)諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LLC串聯(lián)諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

半橋LLC串聯(lián)諧振變換器一般包括三部分：方波生成電路、諧振網(wǎng)絡(luò)和輸出電路。

方波由芯片產(chǎn)生，通過互補(bǔ)的開關(guān)信號，開關(guān)管交替導(dǎo)通。死區(qū)的加入防止了高低開關(guān)管共導(dǎo)通，同時在死區(qū)時間里，高低開關(guān)管的結(jié)電容充放電，為開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通創(chuàng)造條件[1]。

半橋LLC諧振變換器電路的2個諧振頻率：一個是Lr和Cr的諧振頻率fr1，一個是Lm加上Lr與Cr的諧振頻率fr2，即：

(1)

(2)

式中：fr1>fr2。

2 計(jì)算公式的推導(dǎo)

雖然理論上，LLC半橋諧振電路可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開通，但是還是要考慮諧振電路工作情況，比如諧振頻率。當(dāng)開關(guān)頻率在fr2附近的時候，此時為容性模式，ZVS不再實(shí)現(xiàn)，將導(dǎo)致開關(guān)管處于硬開關(guān)狀態(tài)。確保LLC諧振電路工作在期望的區(qū)域，才能保證MOSFET實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

為了分析開關(guān)管的ZVS條件與諧振電路工作區(qū)域的關(guān)系，首先要分析諧振電電路輸入阻抗，圖3為諧振電路的等效單路。

圖3 LLC諧振電路等效電路

LLC半橋諧振等效電路輸入及輸出的傳遞函數(shù)如下：

(3)

由公式(1)可以得到傳遞函數(shù)為:

(4)

(5)

如圖4所示，深色區(qū)域?yàn)殡娐饭ぷ鞯母行詤^(qū)域，此時f>fr1；淺色區(qū)域?yàn)殡娐饭ぷ鞯娜菪詤^(qū)域，此時f

圖中曲線為不同的品質(zhì)因數(shù)Q在同一電感比下的曲線，其中有個所有曲線經(jīng)過的共同點(diǎn)，這個點(diǎn)叫負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)，在這個點(diǎn)上，工作頻率和增益不因負(fù)載的變化而受影響[2]。

圖4 LLC諧振電路增益圖

LLC諧振電路主要是通過改變輸入方波的開關(guān)頻率來調(diào)整輸出電壓的，當(dāng)電路工作在感性區(qū)域內(nèi)，通過提高頻率來響應(yīng)輸出功率的降低。如果將諧振電路設(shè)計(jì)在獨(dú)立工作點(diǎn)附近，那么變換器可以在較窄的工作頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較寬范圍的負(fù)載變化。

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的前級有PFC電路的穩(wěn)定輸出，因此輸入電壓的變化對變換器的工作頻率范圍基本無影響。

圖4中最外面的1對曲線為LLC諧振電路無負(fù)載時的曲線M∞(fn→∞),此時可以將公式(5)變化為：

(6)

(7)

結(jié)合上面的討論，利用最小電壓增益特征函數(shù)Mmin>M∞，可以在輸入直流電壓最高處得到Mmin，這樣就有可能使電路工作在無負(fù)載情況下。Mmin為：

(8)

此時，可以得到最高開關(guān)頻率比：

(9)

同理，可以在輸入直流電壓最小、負(fù)載最重時得到最大電壓增益特征函數(shù)Mmax和最低開關(guān)頻率比：

(10)

(11)

同時，從公式(7)可以看出，Lr、Lm將決定LLC諧振電路無負(fù)載時的電壓增益，這是設(shè)計(jì)當(dāng)中確保電路能否工作在無負(fù)載情況下的關(guān)鍵。

根據(jù)上面的結(jié)果，實(shí)際設(shè)置工作頻率時還須避開最低工作頻率(fmin)接近第二諧振頻率(fr2)的情況。

LLC諧振電路工作在感性區(qū)，并不是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)實(shí)現(xiàn)零電壓開通的充分條件，要實(shí)現(xiàn)零電壓開通，必須保證MOSFET電流滯后于電壓，因此MOSFET的輸出電容及寄生電容必須在開通前充分放電。需要被放電的等效電容等效為：

CZVS=2COSS+Cparasitical

(12)

滿足MOSFET零電壓開通的品質(zhì)因數(shù)可以由下式給出：

(13)

3 電路參數(shù)的計(jì)算

試驗(yàn)樣機(jī)的LLC諧振變換器部分的主要參數(shù)如下：輸入電壓Vin為直流360～440 V；額定輸入電壓Vinnom為400 V；額定輸出電壓Vout為直流24 V；額定輸出功率為150 W；死區(qū)時間為300 ns；串聯(lián)諧振頻率為90 kHz；設(shè)定的頻率變化范圍為60 kHz～260 kHz。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表

計(jì)算等效負(fù)載及電感比：

保證了電路在最大輸入空載的時候，在最高頻率能正常工作。

由以上推導(dǎo)可以計(jì)算出：

選擇整個工作范圍內(nèi)的最大品質(zhì)因數(shù)：Q≤0.9 min(Qmax1,Qmax2)=0.19。

4 控制芯片外圍電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)L6599的datasheet設(shè)置外部電路,Cf的取值一般為幾百pF到幾個nF范圍內(nèi)，選擇Cf=470 pF[3]。計(jì)算Rmin：

此處Rmin取12 kΩ。

計(jì)算Rmax：

計(jì)算軟啟動阻容值：

5 變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

變換器設(shè)計(jì)采用ETD34，磁芯材料采用國產(chǎn)的R2KB，初級與次級線圈采用隔離槽的方式調(diào)節(jié)漏感，將漏感作為LLC諧振變換器的串聯(lián)電感，這樣設(shè)計(jì)省略了單獨(dú)的電感，可以將體積設(shè)計(jì)得更小。初級最少匝數(shù)為：

圖5 LLC諧振電路主變壓器設(shè)計(jì)圖

6 結(jié)束語

本文通過對LLC諧振變換器工作原理的分析，推導(dǎo)出LLC諧振變換器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，分析了變換器理想的工作頻率范圍以及需要避免的工作區(qū)域,計(jì)算出本設(shè)計(jì)的150 W電源的設(shè)計(jì)參數(shù)以及芯片的外圍參數(shù)。最終根據(jù)設(shè)計(jì)需要，確定了變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振電感的集成，特意采用帶隔離帶的骨架，通過原副邊的漏感來完成諧振，此方案體積小、結(jié)構(gòu)簡單，提高了電源的功率密度。

表2 LLC諧振電路主變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)

[1] 趙慧超，張青利，劉洪昌，顏湘武.半橋LLC型諧振變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)[J].廣東電力，2012(11)：87-91.

[2] 董艷.LLC半橋諧振電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].上海:上海交通大學(xué)，2011.

DesignofLLCHalf-bridgeResonanceConverterBasedonL6599A

YAN Chuan-jiang,ZHU Xin

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

The LLC resonance converter has the advantages of simple structure,high efficiency and small electromagnetic interference compared with other topologies.This paper introduces the scheme of half-bridge resonance converter composed of L6563H and L6599A control chips,proposes the design requirement of a 150 W power supply with power factor correction (PFC),expatiates the working principle of LLC resonance converter,educes the calculation formula of LLC resonance converter,obtains the design parameters of resonance capacitor,series inductance and magnetizing inductance,thereby calculates the external parameters of L6599A,which is of guidance value for the design of transformer.

resonance converter;zero voltage switch;load independent work point

TM46

B

CN32-1413(2017)05-0097-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.022

2017-09-06