新型組合式全橋LLC的控制電路

寇學(xué)鋒 李永鋒 劉劍鋒 范超

摘要 一般開關(guān)電源多采用單一移相全橋控制方式或單一的LLC并聯(lián)諧振變頻控制方式，對比分析：這兩種單一的控制方式各有優(yōu)劣。本文研究出了一種新型的組合式控制電路，將變頻和移相這兩種單一的控制方式進(jìn)行了有效組合，優(yōu)勢互補(bǔ)：在較低電壓輸入時用LLC并聯(lián)諧振方式進(jìn)行針對性控制;在較高電壓輸入時用移相全橋方式進(jìn)行針對性控制，從而有效解決了單一控制方式應(yīng)對寬范圍電壓輸入時變換器內(nèi)效率難以得到提升的難題。

[關(guān)鍵詞]組合控制策略 LLC變換器 移相全橋 開關(guān)電源

在大功率開關(guān)電源使用實(shí)踐中，存在輸出電壓需要有較大調(diào)節(jié)范圍，或者負(fù)載變化率較大，移相全橋可以實(shí)現(xiàn)較寬的電壓輸出，但是無法全負(fù)載范圍內(nèi)的軟開關(guān)，在非額定負(fù)載情況下，開關(guān)損耗較大。而LLC諧振變換器可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的軟開關(guān)，適用阻性負(fù)載和電壓調(diào)節(jié)不大的場合。而兩者的有機(jī)組合則可以很好解決上述難題

1 全橋LLC工作原理

LLC諧振變換器可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)Z-V-S （Zero-Voltage- Switching）或者零電流開關(guān)Z-C-S （Zero-Current-Switching），LLC諧振變換器包含一個帶MOSFET的控制器，一個諧振網(wǎng)絡(luò)和一個整流器網(wǎng)絡(luò)，通過電感、電容諧振網(wǎng)絡(luò)，從而大幅降低開關(guān)損耗。LLC諧振變換器副邊整流二極管能實(shí)現(xiàn)z-c-s，能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的Z-V-S，調(diào)壓特性具良好。

全橋LLC諧振變換器工作原理見圖1，其中原邊開關(guān)管Ql到Q4對應(yīng)的體二極管依次為Dl到D4的，副邊整流二極管DR1到DR4對應(yīng)的結(jié)電容依次為Cl到C4，輸出濾波電容為Cf，變壓器原副邊匝比為n，負(fù)載為RLd。而諧振電感Lr、諧振電容Cr和激磁電感Lm均為諧振元件。

其中，fr為變換器諧振頻率，其定義見（1）

2 變頻控制工作方式

在變頻控制工作電路中，由于開關(guān)頻率fs與諧振頻率fr不同大小的配置關(guān)系，導(dǎo)致LLC諧振變換器產(chǎn)生了兩種工作方式，即升壓工作方式和降壓工作方式。

LLC諧振變換器的在變頻控制工作方式下的波形見圖2。

3 移相控制工作方式

移相控制工作電路中，在保持開關(guān)頻率fs等于諧振頻率丘的條件下，其輸出電壓通過調(diào)節(jié)移相角（相位角）進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時變換器工作波形見圖3。

4 控制電路工作原理

控制電路工作原理見圖4，UCC3895為控制芯片，Vo為輸出電壓，其經(jīng)過Rl和R2兩個分壓電阻分壓后，取得采樣電壓與輸出電壓基準(zhǔn)Vrl比較，其比較差值在通過電壓調(diào)節(jié)器后得到控制電平Va。而Va與UCC3895的EAP占空比控制引腳相連，控制占空比的大小，然后通過V-F控制器與UCC3895的RT腳進(jìn)行控制。

移相控制方式：移相控制通過UCC3895集成芯片、電壓調(diào)節(jié)器輸出信號ve與UCC3895集成芯片內(nèi)部鋸齒波交截所產(chǎn)生移相占空比D進(jìn)行控制。其控制邏輯依次為Vo—Ve—D一Vo，從而實(shí)現(xiàn)移相的自動調(diào)節(jié)。

變頻控制方式：專用集成芯片UCC3895的頻率設(shè)置腳為RT和CT，變頻控制方式為流過RT腳的電流經(jīng)鏡像比例后給腳電容CT充電，RT腳電流的大小決定了集成芯片頻率大小。其控制邏輯依次為Vo- Va—Vb- Ve—fs—Vo，從而實(shí)現(xiàn)頻率的自動調(diào)節(jié)。

5 組合控制工作機(jī)理

在組合控制中這兩種控制方式相對獨(dú)立，專用集成芯片UCC3895內(nèi)部的鋸齒波為3.15V，在Va>3.15V時，變換器按滿占空比進(jìn)行工作，故以3.15V作為切換點(diǎn)，將Va分為兩段，詳見圖4，此時，若Va>3.15V時，則變換器按變頻控制方式進(jìn)行工作;若Va<3.15V時，則變換器按移相控制方式進(jìn)行工作，即兩種控制方式不同時出現(xiàn)。

當(dāng)Va>3.15V時，開關(guān)電源于變頻工作方式。Vb的電壓與Vr3通過比較器進(jìn)行輸出得到Ve。Ve的大小取決于Vb與Vr3的比較放大后的電壓。通過與Vrt（UCC3895芯片RT引腳的電壓）的電壓差，來改變RT引腳的電流，從而改變控制頻率。差分比較器采用單電源供電，當(dāng)VbVr3時，Vc=OV。此時RT引腳的電流最大，即達(dá)到最大控制頻率fmax。

在實(shí)際設(shè)計電路時，Vr3和R7的取值決定于fmax，即移相頻率。在穩(wěn)定設(shè)計電路中，通過改變R7的值即可更改fmax的值，方便調(diào)試和測試，該電路的設(shè)計具有良好的應(yīng)用價值。

6 試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室中，根據(jù)上述組合集優(yōu)的設(shè)計思想，制作了一臺3kw的原理樣機(jī)見圖5，通過測試得出變頻和移相控制方式下工作波形如圖6至圖10所示。

7 結(jié)論

通過實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果表明，該電路的可以很好的工作的兩種模式下，切換過程比較完善，滿足理論設(shè)計的要求。