汪定華1,2，李斌1,2，王文廷1,2

　　（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十一研究所，安徽 蚌埠 233006；2.電子信息測(cè)試技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233006）

        摘要：LLC諧振半橋變換器可以在寬電壓范圍內(nèi)全負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，在整個(gè)工作過程中，實(shí)現(xiàn)初級(jí)MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）和次級(jí)整流二極管零電流開關(guān)（ZCS）。因此可以達(dá)到較高的效率和功率密度，而且在負(fù)載和輸入電壓范圍變化較大的情況下，其開關(guān)頻率變化較小。文中首先分析了LLC諧振半橋變換器的工作原理，并基于TI公司的UCC29950芯片設(shè)計(jì)了一種300 W電源樣機(jī)，該芯片集成了PFC和LLC控制器。文章重點(diǎn)介紹了LLC諧振半橋變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電源性能優(yōu)良。

　　關(guān)鍵詞：LLC；諧振半橋；軟開關(guān)

　　中圖分類號(hào)：TM919文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.029

　　引用格式：汪定華，李斌，王文廷.基于UCC29950的LLC諧振半橋電源的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（7）：98-101.

0引言

　　隨著測(cè)量?jī)x器小型化、輕量化的發(fā)展，高效率高功率密度的電源變換器已成為電源發(fā)展的趨勢(shì)［1］。

　　提高功率密度最有效的方式就是提高開關(guān)頻率，高頻下的磁性元件體積會(huì)大幅度減小，但頻率的提高會(huì)使開關(guān)管的開關(guān)損耗加大，對(duì)變換器的效率造成影響［2］。采用高頻工作將大大降低無源器件的尺寸，如變壓器和電感器等。但隨之而來的開關(guān)損耗對(duì)高頻工作帶來了不利影響，嚴(yán)重制約了開關(guān)頻率的不斷提高。為減少開關(guān)損耗和整流損耗，提高開關(guān)電源變換器的工作效率，因此提出了諧振軟開關(guān)技術(shù)。LLC諧振變換器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)初級(jí)主開關(guān)管的零電壓（ZVS）導(dǎo)通和次級(jí)整流管的零電流（ZCS）關(guān)斷，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，電流波形呈正弦化，開關(guān)損耗和噪聲可大幅度減少，有效地減少了電磁輻射的干擾。

1LLC諧振半橋變換器的基本工作原理

　　LLC諧振變換器［3］是在傳統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián)LC諧振變換器的基礎(chǔ)上改良產(chǎn)生的，它既吸收了串聯(lián)諧振變換器諧振電容所起到的隔直作用和功率諧振回路電流隨負(fù)載輕重而變化以及輕載時(shí)效率較高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又兼具了并聯(lián)諧振變換器可以工作在空載條件下，對(duì)濾波電容的電流脈動(dòng)要求小的特點(diǎn)，是一種比較理想的諧振變換器拓?fù)洌?］。一般來說，LLC諧振半橋變換器包括三部分［5］，如圖1所示。

　　圖1LLC諧振半橋變換器主電路（1）方波發(fā)生器：每次切換都以50％占空比交替驅(qū)動(dòng)開關(guān)Q1和Q2，從而產(chǎn)生方波電壓Ud。UO1由交流電壓整流并經(jīng)過功率因數(shù)校正獲得，從而提供更高且穩(wěn)定的直流電壓，同時(shí)也減小了電流應(yīng)力，降低了諧波污染。

　　（2）諧振網(wǎng)絡(luò)：包含串聯(lián)諧振電感Lr、并聯(lián)諧振電感Lm和串聯(lián)諧振電容Cr。 Lm可以用變壓器的勵(lì)磁電感來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)方波電壓Ud作用在諧振網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，只允許正弦電流通過諧振網(wǎng)絡(luò)。因此，諧振電流Ir相對(duì)方波電壓Ud延遲作用于諧振網(wǎng)絡(luò)，這為開關(guān)管的零電壓開通創(chuàng)造了條件。諧振網(wǎng)絡(luò)可以濾掉高次諧波電流，LLC諧振半橋變換器的典型波形如圖2所示，當(dāng)電流流經(jīng)反向并聯(lián)二極管時(shí)，開關(guān)管開啟電壓為零。

　　（3）整流濾波網(wǎng)絡(luò)：通過二極管整流和電容器濾波儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓穩(wěn)定。

　　LLC諧振半橋變換器有兩個(gè)不同的諧振頻率，當(dāng)變壓器的勵(lì)磁電感Lm不參與電路諧振時(shí)，變換器的諧振頻率定義為fr，如式（1）所示：

　　當(dāng)變壓器的勵(lì)磁電感Lm參與電路諧振時(shí)，變換器的諧振頻率定義為fm，如式（2）所示：

　　當(dāng)工作頻率fs<fm時(shí)，諧振變換器初級(jí)的開關(guān)管既不能實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，次級(jí)整流二極管也不能實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要避免電源工作在這個(gè)區(qū)域；當(dāng)工作頻率fr<fs時(shí)，諧振變換器初級(jí)的開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通，但是次級(jí)的整流二極管電流連續(xù)，無法實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷；當(dāng)工作頻率fm<fs<fr時(shí)，諧振變換器在全負(fù)載范圍內(nèi)，諧振電路的開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，二極管可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使開關(guān)管的工作頻率盡量落在fm<fs<fr區(qū)間。

2UCC29950芯片介紹

　　UCC29950是美國(guó)TI公司設(shè)計(jì)的一款集成高效功率因數(shù)校正(PFC)和半橋諧振邏輯鏈路控制(LLC)組合控制器的芯片，該芯片典型應(yīng)用電路如圖3所示。100 kHz固定PFC頻率，具有抖動(dòng)特性，憑借專有PFC算法，系統(tǒng)能夠獲得高效率、更小的轉(zhuǎn)換器尺寸以及高功率因數(shù)等諸多優(yōu)勢(shì)。固定LLC頻率工作范圍為70 kHz~350 kHz，集成的LLC控制器可實(shí)現(xiàn)高效DC-DC轉(zhuǎn)換器，利用軟開關(guān)來降低電磁干擾(EMI)噪聲。該控制器包含一個(gè)啟動(dòng)控制電路，此電路采用耗盡型MOSFET且內(nèi)置器件電源管理功能，可以最大程度降低外部元件需求，并且有助于降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本。為進(jìn)一步降低待機(jī)功耗，該控制器還集成了X-Cap放電電路。UCC29950實(shí)現(xiàn)了一整套系統(tǒng)保護(hù)功能，其中包括交流線路欠壓保護(hù)、PFC總線欠壓、PFC和LLC過流保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)［6］。這款轉(zhuǎn)換器經(jīng)過了優(yōu)化，非常便于使用。

　　UCC29950芯片各引腳功能介紹如表1所示。

3LLC諧振半橋電源設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的電源輸出功率為300 W，輸出電壓為24 V，設(shè)計(jì)紋波為200 mV，輸出電流為12.5 A。PFC階段輸出電壓為390 V，設(shè)計(jì)紋波為20 V。由于PFC控制比較簡(jiǎn)單，本文不再贅述，重點(diǎn)介紹LLC諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)計(jì)。

　　3.1變壓器匝比確定

　　變壓器匝比由下式給出：

　　3.2原邊等效阻抗計(jì)算

　　等效阻抗由下式給出：

　　3.3確定諧振網(wǎng)絡(luò)的最小和最大增益

　　設(shè)PFC級(jí)輸出電壓UO1最小保持值為Uo1min=320 V，Uo1最大值即Uo1max=400 V，考慮電源的EMI特性及磁性材料選擇，本設(shè)計(jì)的工作頻率fs為110 kHz。

　　諧振變換器的最小增益為：

　　3.4確定品質(zhì)因數(shù)Q

　　為了最大限度地降低開關(guān)頻率變化，LLC諧振變換器一般運(yùn)行在諧振頻率fr附近。將PFC額定輸出電壓的增益與諧振頻率fr處的增益對(duì)應(yīng)，該增益是Lm與Lr的比值Ln的函數(shù)，因此，必須選擇合適的Ln值以獲得最小增益。然而，一個(gè)小的Ln值仍可獲得較高的峰值增益，適合于寬的輸入電壓范圍，但太小的Ln值會(huì)使得變壓器耦合性差，效率低。Ln值較大時(shí)，開關(guān)管在fr附近的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗低，但峰值增益低可使獲得相同增益的頻率變化范圍寬。一般設(shè)置Ln的值位于3~7之間，可使諧振頻率fr處的電壓增益為1.1~1.2［7］。從LLC諧振峰值增益曲線圖4中選擇Ln=5時(shí)的Q值。

　　品質(zhì)因數(shù)Q由下式給出：

　　Q=LrCrRE（7）

　　考慮10%余量，峰值增益至少為1.32，從曲線上取得Q值為0.42。

　　3.5諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)

　　諧振電容由下式給出，實(shí)際取Cr為36 nF。

　　3.6電路設(shè)計(jì)

　　LLC諧振半橋主電路設(shè)計(jì)如圖5所示，圖中省略了功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)。

4實(shí)驗(yàn)波形

　　在Uo1=390 V滿載時(shí)，測(cè)試初級(jí)開關(guān)管Q1的Ugs和Uds的波形、諧振電感電流Ir波形如圖6所示，次級(jí)整流二極管D3的電壓和電流波形如圖7所示。從圖中可以看出，初級(jí)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開啟，次級(jí)整流二極管實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。

5結(jié)論

　　本文介紹了LLC諧振半橋變換器的工作原理，并采用集成PFC和LLC的高性能芯片UCC29950設(shè)計(jì)了一款高功率因數(shù)諧振電源、輸出為直流24 Ｖ/12.5 Ａ的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。詳細(xì)介紹了諧振參數(shù)的設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，該變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大降低了開斷損耗，并且能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)初級(jí)開關(guān)管ZVS及次級(jí)整流二級(jí)管ZCS，電源效率達(dá)到88％以上，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ 阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

　　［2］ 戴幸濤.LLC變換器軟開關(guān)特性及諧振參數(shù)優(yōu)化研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

　　［3］ YANG B, LEE F C, CHENG R Y. LLC resonant convener for front end DC/DC conversion［C］. Applied Power Electronics Conference and Exposition, USA, Dallas,2002:1108-1112．

　　［4］ 余昌斌.LLC諧振半橋DC-DC變換器的研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2007.

　　［5］ 黃忠威.高功率因數(shù)LLC諧振變換器的研究［D］.廣西：廣西大學(xué)，2014.

　　［6］ TI. UCC29950 CCM PFC and LLC Combo Controller［Z］.2014-2015.

　　［7］ 閆毅平.基于LLC諧振半橋變換的通信電源研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33(9)：17-21.