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基于MC33067的LLC谐振全桥变换器的应用设计

2021-09-30 来源:步旅网
第46卷第3期 2012年3月 电力电子技术 Power Electronics Vo1.46,No.3 March 2012 基于MC33067的LLC谐振全桥变换器的应用设计 李星林,姜海鹏,曾帮远,蒋传荣 (海华电子企业(中国)有限公司,广东广州510640) 摘要:LLC变换器以其卓越的性能迅速成为DC/DC变换器的首选拓扑,而目前该拓扑大多应用在小功率半桥 变换器,而在大功率全桥变换器中的应用还较少。在此提出了一种基于高性能谐振控制器MC33067的LLC谐 振全桥变换器设计方案,该拓扑采用了固定死区的互补调频控制方式,巧妙利用了变压器的励磁电感和外置 谐振电感与谐振电容发生谐振,实现了初级零电压(ZVS)开通以及次级零电流(ZCS)关断,并给出了输出直流 电压48 V,满载功率2 kW的试验结果。试验结果表明,LLC谐振全桥变换器具有高频、高效率等优点,符合电 源高功率密度、高效的发展要求。 关键词:变换器;软开关;谐振 中图分类号:TM46 文献标识码:A 文章编号:1o00—100X(2012)03-0078—03 Application Design of LLC Resonant Full-bridge Converter Based on MC33O67 LI Xing—lin,JIANG Hai—peng,ZENG Bang—yuan,JIANG Chuan・tong (Haihua Electronics Enterprise(China)Co.,Ltd.,Guangzhou 510640,China) Abstract:LLC converter quickly becomes the primary choice of topology in DC/DC converter,however,this topology mostly is applies in the low power half bridge converter and less is used in hi gh power full-bridge converter.An pro— gram for the full—bridge converter based on MC33067 is introduced.It adopts the adjusting frequency control mode with the fixed dead—time and realizes the switching on with zero voltage and switching off with zero current by using he excittated inductance of transformer,external resonant inductance and resonant capacitance.The experimental result shows LLC resonant full—bridge converter th advantage of the high frequency,high eficifency and SO on,it con ̄rms the development trend of the power supply with the higher power density and eficiency.f Keywords:converter;soft switching;resonant 1 引 言 随着电力电子技术的高速发展,对开关电源 提出了更加高频化、高效率、高功率密度以及低噪 声等要求。目前比较成熟的软开关技术,如移相全 杂。大多都是在LLC谐振半桥变换器设计方法的 基础上进行试探.通过不断调试和修正获得合适 的参数f21。在此提出了一种基于高性能谐振控制 器MC33067的LLC谐振全桥变换器设计方法,在 设计合理的前提下,变换器可以轻易实现初级 MOSFET ZVS开通.次级整流二极管ZCS关断。体 现了变换器的高频高效化。 桥也很难做到真正理想状态的软开关(包含主开关 管和次级整流二极管),并且随着开关频率的升 高,其损耗也不断增加,因此寻求一种更加高效、 高开关频率以及高功率密度的拓扑成为当前研究 2 LLC谐振全桥变换器拓扑及工作机理 全桥变换器由于具有较高功率密度而广泛应 用于中、大功率场合[3J,其主电路拓扑如图1所示。 该电路主要包括初级4个功率MOSFET、谐振电 感 、谐振电容Cr、励磁电感 ,次级则由整流二 的重点。LLC谐振全桥变换器作为全桥拓扑中性 能较为突出的一种,具备以下优点:初级MOSFET ZVS开通。次级整流二极管ZCS关断;电路结构简 单,转换效率高;初、次级的电压应力较低;容易实 现高频化,故容易实现高功率密度,并且当其工作 在所设定的谐振频率时,初、次级电流都接近正弦, 高次谐波小,有利于EMI设计[1]。 极管VD 和VD 以及输出滤波电容 组成。 目前.LLC谐振全桥变换器的设计方法较复 定稿日期:201l—l2—19 作者简介:李星林(1983一),男,广西梧州人,硕士,研究方 向为中、大功率直流电源的设计开发。 78 图1主电路拓扑 基于MC33067的LLC谐振全桥变换器的应用设计 可见。拓扑中次级没有滤波电感,整流二极管 无需缓冲吸收网络,与传统的全桥拓扑相比,其元 件大为减少.且变换器的磁性元件能很容易集成 到一个磁芯.主变压器的漏感和 也能被利用H1。 LLC谐振全桥变换器包括如图2所示的3个 工作区域:其中区域1,2的主开关管工作在ZVS 状态。而区域3的主开关管工作在ZCS状态。对 于选用MOSFET作为主开关管的高频LLC变换 器而言,工作在ZVS条件下其开关损耗最小,工 作状态较佳。故其所需的工作区域为增益曲线的 右侧(其中负斜率表示初级MOSFET工作在ZVS 模式)。当LLC变换器工作在如图2所示的∞。= 状态下时.其增益由变压器的匝比决定,从效率和 EMI的角度而言.在这个工作点状态下由于正弦 初级电流、MOSFET和次级整流二极管都得到最 优化利用。故为最佳工作点,但是这只能在特定的 工作电压以及负载条件下得到。  ̄Ds dj 图2 LLC的工作区域 LLC谐振全桥变换器存在两个谐振频率。一个 为L 与C 的谐振频率: 赤 (1) 另外一个为£ , 与 的谐振频率: 1 … 2) 由于该电路采用PFM控制模式,所以变换器 工作频率 既可以工作在 的频率范围内,也 可以工作在 的频率范围内。下面就其工作 在 频段内(该频段内工作状态较佳)一个 开关周期的6个模态进行简要分析,此时谐振变 换器各个关键点的工作波形如图3所示。 :::l广 :::l广 t- ; i . . I t f 、 吐 ;;;/ 一 I! i i 图3关键点的主要工作波形 模态1(to-t1) 在t0时刻,VT 和VT4开通,谐 振电流i 流经vTl和VT4。变压器次级电压上正下 负,VD 开通,为负载提供能量, 被箝位不参加 谐振过程,励磁电流 线性上升。 模态2(£l~£2) 在t1时刻, = 。VD5,VD6的 电流为零,次级输出电压对 不再箝位,三 开始 参与谐振,CT被恒流线性充电升高电压。 模态3(t2 ̄t3) 在t2时刻,VT。和VT4关断。 VD2和VD。导通续流,从而为VT2和VT3的ZVS 开通创造了条件。变压器初级电压极性切换,VD 开始导通,由于此前VD 电流归零,故没有反向恢 复。 重新被次级输出电压箝位,退出谐振过程。 模态4(t3-t4) 在t 时刻,VT2和VT3开通, VD 继续导通向负载提供能量。 仍被输出电压 筘位不参加谐振,故 线性下降。 模态5(t4一t ) 在t4时刻, 又重新等于i , VD ,VD 的电流为零,次级输出电压对 不再箝 位, 开始参与谐振, 被反向恒流充电,其电压 线性升高。 模态6(t5~t6)在t5时刻,VT2和VT3关断,VD。 和VD 导通续流。从而为VT】和VT4的ZVS开通 创造了条件。变压器初级电压极性切换,VD 开始 导通,由于此前VD 电流归零故没有反向恢复。 重新被次级输出电压筘位,退出谐振过程。 以上就是LLC变换器工作在 频段内 一个开关周期的6个工作过程。 3 LLC谐振全桥变换器设计 LLC谐振全桥变换器的设计难点在于谐振网络 参数的选取和优化,合理设计参数能够保证变换器 工作在所期待的区域,从而确保在最佳工作状态。 在此设计的LLC谐振全桥变换器输入直流电压 U ̄=390 V,输出电压Uo=48 V,满载功率 =2 kW。 3.1 主电路关键参数设计 选取 100 kHz,主电路关键参数设计过程为: 1、计算变压器变比Ⅳ=Um/( + ), 为输 出整流二极管导通压降,选用IXYS 60CPQ150快 速恢复二极管。其典型值为1.2 V,计算得N=7.92。 2、计算最高、最低输入电压时增益G ,G一: Gm=2n(uo+ )/ 一,G一=2n(Uo+ )/ 曲(3) , 一分别为输入直流电压的最小值和 最大值。分别为320 V和420 V。计算得到Gm= 0.927,Gm ̄=1.22。 3、计算负载电阻R 和反射电阻RAc: RE= /Po,RAc=8n2RI/竹 (4) 79 第46卷第3期 2012年3月 电力电子技术 Power Electronics VoI.46,No.3 March 2012 计算得到RL=1.15 Q,R =58.5 n。 由式(6)中第2个公式得到 =2.7 kSq。 4、计算品质因数Q,C ,L ,L 为: (4)定时电阻 和定时电容 的确定: 两路驱动脉冲的死区时间由 和cT确定, (5) Q= 0.95・晤, , = 根据谐振频率的大小以及工作频率变化范围.初 步选定死区时间 =0.47 p.s,依据:R = / (O.348CT),得到RT=2.7 kQ,Cr=500 nF。 式中:k值为 和£ 的比值。 对于LLC谐振变换器而言,满载时Q和k的 恰当选择是设计的关键.将直接影响变换器的工 作频率范围、谐振回路中循环能量大小及转换效 芯片根据反馈量大小进行PFM.其实质性机 理就是通过改变流经R肿的电流从而改变,腻, 最终改变内部压腔振荡器频率。在稳态情况下。芯 片的脚3电位被内部三极管箝位在2.5 V。当脚 率,k值一般在2.5 6之间,设计中k取4。计算得 到Q=0.463,Cr=58 nF,L =43 IxH,L =172 IxH。 至此.变换器主电路关键参数设计完毕。为保 证输出功率留有一定的裕量。主变压器选用PC40 材质的EE65磁芯。初级功率管则选用ST STW43NM60ND.次级整流管为IXYS 6OCPQ15O快 速恢复二极管.输出滤波电容为6个NICHICON 电解电容1 000 IzF/lO0 V并联。 3.2控制电路关键参数设计 控制电路采用高性能谐振控制器MC33067为 控制核心.该芯片采用固定死区时间的PFM互补 调制技术.输出两路开关频率可达1 MHz、峰值电 流可达200 mA的驱动脉冲。只需通过隔离变压器 就可以直接驱动MOSFET。芯片内部则主要由基 准电压、压腔振荡器、误差放大器、软启动电路、欠 压锁定、保护以及输出电路构成。基于MC33067 所设计的PFM控制电路关键参数设计如下: (1)最低、最大开关频率 厂懈的确定: 由于负载过重使得 过低,导致变换器进入 图2所示主开关管ZCS区域,因此要对MC33067 的 进行限制, --f,[1+ (1—1/G衄2)】 ,可以得 到fm=67 kHz。同时,为减小电源启动瞬间对 的 冲击。一般采用空载高频开机方式,开机频率为谐 振频率的2-3倍.该设计中设定f_=2oo kHz。 (2)定时电阻 与定时电容 的确定: 与C 组合的时间常数确定内部压腔振 荡器的最小振荡频率,其值为 :R =( 一70ns)/ (0.348C ̄),得到 =10 k1),C =2.4 nF。 (3)调频电阻风 的确定: 芯片能够进行频率调制。实际是通过改变流 过R啪电流的大小而改变流经R 放电电流 : = 一 Rwor- 挚』II腿一 舶 (6) 式中:,眦为. 时 总放电电流,其值为1 mA;u 为 误差放大器低电位时的饱和输出电压.其值为0.1 V。 6,7短接组成电压跟随器形式时,外部PI调节器 的运算值即反馈值从脚8输入。由于误差放大器 被软启动缓冲器筘位.当反馈量的值大于1.5 V 时.才能进入线性调节区域.故外部反馈值的范围 在1.5-2.5 V之间。综上所述。利用MC33067所搭 建的频率调制控制原理图如图4所示。 电压反馈 电压给定 图4 MC33067的频率调制控制原理图 4试验结果 基于以上设计流程搭建了一个2 kW功率等 级的LLC谐振全桥变换器的主电路和控制电路, 测试了大量的关键点波形。 图5a示出390 V直流输入.满载功率2 kW 时初级vT3的驱动电压波形 m和VT4漏源电 压波形U&vr4。可见,/XdsVl4'在 椰由低电平切换为 高电平之前就已经建立起母线电压,说明VT3工 作在ZVS状态。图5b示出390 V输入,满载功率 2 kW时工 两端电压波形 和次级整流输出电 流波形i 。 t/(2“s/格)t/(2 s/格) (a)VT4 源电压和VT3驱动电压 (b)励磁电感电压和次级电流 图5试验波形 可见,初级电压关断时刻,次级电流刚好到零, 无反向恢复,处于最佳ZCS状态。 (下转第83页) 有功无功对三电平中点不平衡的影响 值为零。可以推断,中点电位的偏移主要由有功功 a相电流峰值为2 A时的情况,可验证上述3.2节 中所提出结论的正确性。 率引起,且无功功率不会引起中点电位的偏移。 0.1 图4b为有功电流在不同值的实验波形,可见 萎。 _0 一麟timS  当相电流峰值为7 A时的中点电位偏移大于相电 流峰值为2 A时的情况,可以验证上述3.3节中 所提出结论的正确性。 /, / 喜。 1 5 结 论 通过理论分析和实验论证了中点电位的平衡 与三电平工作时的有功功率和无功功率关系,可 得结论:中点电位的波动主要是由无功分量来决 (a)UM中点有、无功电流权熏 图3调制度为1时 , +中点电流有、无功权重 4实验验证 为验证有功功率和无功功率与中点电位之间 定.无功分量越大,中点波动越明显,而有功分量 对中点的波动影响很小。中点电位的偏移主要由 有功分量的大小来决定,有功分量越大偏移越明 显.而无功分量对中点偏移的影响很小。 的关系,实验室搭建了三电平实验平台,主要参 数:直流侧电容,C。=C2=1 600 IxF,采用L=I.5 mH, U ̄=400V,开关频率5 kHz,基波频率为5OHz。电 网线电压有效值为380 V,并网变压器为380/190。 图4示出实验波形。 堙 《 参考文献 [1】Lee Y H,Suh B S,Hyun D S.A Novel PWM Scheme for a Three-level Voltage Source Inverter with GTO 专? 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[4]Bo Yang,Rengang Chen,Fred C Lee.Integrated Magnet- ic for LLC Resonant Converter[A].IEEE APEC[C】.Dal— las,USA,2002,1:346-351. 上设计了一款输出48 V,2 kW功率等级的LLC谐 83 

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