半橋LLC諧振變換實驗調試與分析的實踐*

董文厚，阮玉華

(昆明鐵道職業(yè)技術學院，云南 昆明 650000)

0 引言

隨著經濟社會的發(fā)展，推動了電力電子技術的不斷進步，對電源變換器提出了更高的性能要求。軟開關技術是提高電源功率密度和變換器開關頻率的關鍵技術之一，而LLC變換器可以在全負載范圍內實現原邊開關管零電壓開通(ZVS)和副邊整流管零電流關斷(ZCS)[1]，具有高效率、高功率密度、電氣隔離和波形輸出好等優(yōu)點。所以半橋LLC諧振變換的仿真與實驗是電氣工程電力電子方向研究生選修的綜合實驗之一。本實驗通過學生對半橋LLC諧振變換器設計和調試過程，使他們具備相應的設計能力，從而提高研究生在電力電子專業(yè)領域的設計開發(fā)和專業(yè)研究能力[2]。

選修本實驗的研究生，本科來自不同學校和不同專業(yè)，由于他們的電力電子技術基礎知識相差較大[3]，而且本實驗橫跨電力、電子和控制三個領域，是電力電子技術的基礎，是弱電對強電實現控制的橋梁和紐帶[4]，所以給本實驗課程的安裝和調試帶來困難，最終造成學生實驗效果不理想，實驗目標無法實現。因此，本文針對學生在調試檢查階段出現的問題和故障進行了梳理，并結合實驗原理和波形輸出給出了解決問題的方向，以提高學生的動手操作能力和實驗的自信心，也為搭建實驗研究平臺提供檢查方法。

1 半橋LLC諧振變換實驗原理

半橋LLC諧振變換實驗的基本組成原理框圖如圖1所示，該電路主要由EMI濾波、整流濾波、LLC變換器、反饋、脈沖調頻控制、驅動、輔助電源、保護單元電路等幾部分組成。圖2為半橋LLC諧振變換實驗原理圖。該電路輸入為220 V交流電，經橋式整流濾波后，在半橋輸入端達到約300 V的直流電壓。經UCC25600芯片脈沖調頻控制穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定的輸出。

圖1 半橋LLC諧振變換實驗電路基本組成原理框圖

圖2 半橋LLC諧振變換實驗原理圖

1.1 半橋LLC諧振變換器的拓補結構及原理

半橋LLC諧振變換器是在串聯諧振變換器(SRC)的基礎上變化而來的，利用變壓器的充磁電感，不需要任何輔助網絡的幫助就能實現開關管的寬范圍ZVS開通和整流管的寬范圍ZCS關斷，較大的諧振腔阻抗能有效地降低一次側環(huán)流能量損耗，同時也降低了開關管的關斷電流應力，使變換器設計簡化，避免了零電流開關區(qū)可能導致系統損壞。在額定電壓輸入下，當工作頻率接近諧振頻率fr時，變換器達到最佳效率。

圖3 單路輸出半橋LLC諧振變換器

1.2 UCC25600控制電路

根據LLC諧振變換器的工作原理，本實驗采用脈沖調頻(PFM)控制。根據輸出電壓的采樣反饋，調節(jié)開關頻率來穩(wěn)定輸出電壓。在額定輸入電壓下，通過將開關頻率設置為接近諧振頻率fr，可以獲得最佳的效率。當輸入電壓降低時，開關頻率也降低以提高增益并保持輸出電壓穩(wěn)定。UCC25600諧振半橋控制器采用可變開關頻率控制來調節(jié)諧振槽阻抗和輸出電壓。UCC25600高性能諧振控制器是專為使用LLC諧振拓撲結構設計的，內部集成了40 kHz～350 kHz的振蕩器，可設置死區(qū)時間和軟啟動時間，還具有過流、UVLO、偏置電源OVP和過溫保護等功能。

該電路由死區(qū)設置電阻DT1，最高、最低限制頻率電阻RT1和RT2，軟啟動電容C26以及過流保護電路組成。各引腳功能見表1。

表1 UCC25600引腳功能

1.3 FAN7390驅動電路

由于半橋LLC諧振變換器原邊上管為高壓輸入，因此需要為上管的驅動加自舉電路，然而高壓會引入到驅動芯片內部，為避免功率電路對控制電路的影響，本電路選用的驅動芯片需要具有高壓隔離特性。為了簡化電路，減少脈沖變壓器，本實驗選取FAN7390驅動芯片為自舉驅動電路的核心，它是高壓與高速雙通道集成的，內部集成了自舉電路，外部電路簡單，只要有快恢復二極管D9和自舉電容C14就能正常運行。具體驅動電路如圖2所示。表2為具體引腳功能。

表2 FAN7390引腳功能

1.4 TL431+PC817反饋電路

反饋電路能實時采集輸出電壓的變化，為控制電路提供可靠的輸出電壓信息。本實驗采用的是TL431與PC817配合構成的反饋電路，其電路簡單，穩(wěn)壓性能最好，能夠非常準確地調整V01，使開關電源輸出的電壓調節(jié)率達到±0.5%，能與線性電源媲美。其電路原理如圖2所示。

這里需要根據TL431的穩(wěn)壓原理來計算R20、R21和R23的值，由TL431內部原理可知：

(1)

反饋電阻的阻值為：

(2)

其中：VREF為TL431內部基準電壓，為2.5 V；IF為反饋電流。

2 檢查調試方法

根據半橋LLC諧振變換電路技術要求、電路拓補結構和參數分析計算，選取諧振電容、開關MOSFET管、輸出快恢復二極管、反饋取樣電阻，并繞制諧振電感、高頻變壓器、輸出濾波電感(L1、L2、L3)。把所有元器件焊接到電路板上，最后進行通電調試。

由于本實驗所用的元器件多為貼片元件，手動焊接容易造成虛焊、極性接反和型號錯誤等，從而降低通電調試的成功率，如果直接接通主電源，還有可能會燒毀MOSFET管、驅動芯片和控制芯片，因此通電調試前的分塊檢查至關重要。

2.1 檢查UCC25600控制電路

用15 V直流電源給輔助電源電路的AP1和AP2供電，用萬用表測量UCC25600的7腳(VCC)供電是否正常，否則檢查輔助電源電路。然后用示波器測量8腳(GD1)和5腳(GD2)是否有方波信號輸出如圖4所示。如果沒有方波輸出，再測量3腳(OC)對地的電壓是否高于1 V，從芯片原理可知，高于1 V芯片進入保護狀態(tài)。根據原理分析故障原因：①主電路過度保護，但主電路還未通電，過流檢測不可能動作；②3腳(OC)端懸空而進入保護狀態(tài)，應檢查OC端的外圍電路CP1、RP1、D4、D7、RS1、RS2、RS3等焊接情況；③為了充分了解高頻變換器的干擾和電磁兼容性問題，本實驗設計了多種接地，在控制地GND和主電路地PGND之間設置了0 Ω電阻R24，當R24不通時也會造成3腳(OC)端高于1 V，應著重檢查。另外當UCC25600輸出正常的情況下可以觀察兩組信號的死區(qū)時間，如圖5所示，來驗證DT1是否合理。

圖4 UCC25600 8腳和5腳輸出的方波 圖5 UCC25600輸出方波的死區(qū)時間

2.2 檢查FAN7390驅動電路

同樣先用萬用表測量FAN7390的5腳(VDD)電壓，來判斷芯片供電是否正常。用示波器測量1腳(HIN)和2腳(LIN)以及4腳(LO)和7腳(HO)是否有方波信號輸入和輸出。如果4腳(LO)有方波輸出而7腳(HO)只有高電平輸出如圖6所示，說明FAN7390的下管驅動電路正常，而上管驅動回路有故障，這時應著重檢查上管驅動回路的外圍元件快恢復二極管D9和自舉電容C14，特別是D9的極性是否接反。另外，還要檢查開關管Q1和Q2是否擊穿，它們也會使自舉電路無法正常工作，而使7腳(HO)無信號輸出。

圖6 FAN7390 4腳和7腳輸出的波形

2.3 檢查TL43PC871反饋電路

首先模擬輸出電壓，即用一個直流可調電源(輸出電壓要能在15 V左右調節(jié))接在輸出端口P1上，注意電源極性，若接反濾波電解電容C1、C2會炸。調節(jié)模擬輸出電壓，用萬用表觀察TL431的R腳的電壓應該在0～2.5 V之間變化，同時用示波器觀察FAN7390的4腳(LO)和7腳(HO)輸出方波信號的變化情況，應該在UCC25600的最低和最高頻率之間變化，如圖7所示。

圖7 最低和最高頻率輸出的方波

2.4 檢查主電路

最后，有一種情況特別說明，當主電路不通電時，控制電路、驅動電路和反饋電路按上面的方法檢查波形都正常；反之，當輔助電源不通電時，主電路整流濾波輸出的電壓關系也正常，也能正常加到220 V，輸出310 V左右。但是，當主電路和輔助電源電路都同時通電，主電路稍加電壓，保險管F1就會立即熔斷保護，這是由于上、下開關管Q1和Q2存在同時導通短路造成的，應主要檢查以下三個方面：①上、下開關管驅動信號的死區(qū)時間；②上、下開關管是否有擊穿損壞情況；③FAN7390高端驅動電路中的快恢復二極管D9是否用成普通二極管，若用成普通二極管也會使上開關管Q1不能及時關斷造成短路。

3 結束語

本文通過總結一年來參與指導半橋LLC諧振變換電路實驗過程中學生遇到的各種問題，提出用波形直觀法去檢查和調試實驗，這樣能夠有效提高實驗效果,激發(fā)學生學習的積極性、主動性,全面提高學生的動手能力,使學生綜合分析和解決實際問題的能力得到了進一步加強。