包爾恒

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510925）

0 引 言

在寬范圍輸出電 壓開關(guān) 電源設(shè) 計(jì)中［1，2］，LLC 諧振變換器需要相應(yīng)寬范圍變化的開關(guān)頻率。高變換效率設(shè)計(jì)中，在特定的諧振電感、勵(lì)磁電感和諧振電容取值下［3，4］，需要的開關(guān)頻率會(huì)更高（頻率－增益特性曲線比較平坦）。LLC諧振變換器在寬電壓范圍輸出特定狀態(tài)將工作在開關(guān)頻率fs高于諧振頻率fr的模式。該模式下開關(guān)管關(guān)斷電流不再是勵(lì)磁電流而是諧振電流，特定工作條件下開關(guān)管有可能在諧振電流峰值處關(guān)斷而引發(fā)大的開關(guān)損耗和高的開關(guān)管溫度。本文就該狀態(tài)下變換器的工作模態(tài)進(jìn)行分析，測試了關(guān)斷電流并提出解決方案。

1 LLC諧振變換器fs＞fr工作模態(tài)分析

以某30 A通信電源模塊為例，模塊后級(jí)直流－直流變換部分采用半橋LLC諧振變換拓?fù)洌▓D1），其輸入為PFC輸出電壓400 VDC，輸出電壓36～58 V可調(diào)。本文研究基于NCP1397模擬控制［5］，考慮最高開關(guān)頻率的限制，采用限流態(tài)電壓低于36 V時(shí)關(guān)機(jī)的方案。

工作頻率fs高于諧振頻率fr時(shí)，諧振電流、勵(lì)磁電流和諧振電容電壓正方向假設(shè)如圖1，電路的工作狀態(tài)分析如下。

模態(tài)1（t0～t1）：如圖2所示，在t0時(shí)刻將Q2關(guān)斷，諧振電感電流不能突變，負(fù)向諧振電流給下管Q2的結(jié)電容C2充電、上管Q1的結(jié)電容C1放電，充放電的結(jié)果：UC2＝Ui、UC1＝0，上管 Q1的體二極管D1導(dǎo)通續(xù)流諧振電感電流。D1導(dǎo)通后，Q1的UDS電壓為零，在諧振電流過零變正之前，驅(qū)動(dòng)開關(guān)Q1，可以實(shí)現(xiàn)Q1的零電壓開通（ZVS）。當(dāng)D1導(dǎo)通后，負(fù)向諧振電感電流絕對(duì)值在輸入電壓的作用下迅速減小，相應(yīng)副邊整流二極管DR2的電流iDR2迅速減小，在輸出反射電壓nUo的作用下，勵(lì)磁電感電流im的絕對(duì)值線性增加。

圖1 半橋LLC主電路

圖2 fs＞fr模式工作過程時(shí)序

在t1時(shí)刻諧振電流ir的絕對(duì)值減小到和勵(lì)磁電流im的絕對(duì)值相等，此時(shí)副邊整流二極管DR2電流過零關(guān)斷。該模態(tài)的電路工作狀態(tài)如圖3所示。

圖3 模態(tài)1

模態(tài)2（t1～t2）：t1時(shí)刻，諧振電感電流等于勵(lì)磁電感電流。從t1開始，負(fù)向諧振電感電流數(shù)值上小于負(fù)向勵(lì)磁電流，從圖4所示勵(lì)磁電流和諧振電流方向可知，副邊整流二極管DR2關(guān)斷、DR1導(dǎo)通，勵(lì)磁電感端電壓被輸出反射電壓箝位為nUo，勵(lì)磁電流絕對(duì)值大于諧振電流絕對(duì)值，其差值為折算到原邊的負(fù)載電流。在t2時(shí)刻，諧振電流從之前的負(fù)方向諧振到零（此時(shí)勵(lì)磁電流仍為負(fù)向）。

圖4 模態(tài)2

模態(tài)3（t2～t3）：該模態(tài)下諧振電流ir過零變正，并以正弦形式流經(jīng)上管Q1，勵(lì)磁電感電流im也是線性上升過零并變正，副邊整流二極管DR1繼續(xù)導(dǎo)通，諧振電流和勵(lì)磁電流之間的差值折算到副邊為負(fù)載電流。在t3時(shí)刻，上管Q1關(guān)斷，電路工作模式和t0時(shí)刻下管Q2關(guān)斷時(shí)同理。

圖5 模態(tài)3

2 分析、實(shí)驗(yàn)及解決措施

2.1 分析與實(shí)驗(yàn)

通過上述的工作模態(tài)分析，fs＞fr工作模態(tài)下MOSFET關(guān)斷電流不再是fs≤fr模態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流，這時(shí)關(guān)斷電流為諧振電流。隨著輸出電壓的降低開關(guān)頻率升高，同時(shí)，MOSFET關(guān)斷電流增大甚至有可能在諧振峰值電流處關(guān)斷，導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)斷損耗大大增加進(jìn)而引發(fā)過高的開關(guān)管溫升。圖6為實(shí)際測試的某限流點(diǎn)電流波形（Ch1：下管MOSFET驅(qū)動(dòng)波形Ch2：Lr電流波形），開關(guān)頻率達(dá)到330 kHz，MOSFET關(guān)斷電流接近諧振峰值電流，實(shí)測該狀態(tài)下開關(guān)管殼溫接近110℃。在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)過程中，該狀態(tài)開關(guān)管溫升往往由于較小的輸出功率而不夠重視。

圖6 限流態(tài)開關(guān)管電流測試波形

2.2 解決措施

基于上述分析，可采取如圖7所示的控制方案：將輸出特性分為三段，48～58 V輸出電壓段采用恒功率輸出；48～36 V段根據(jù)實(shí)際測試的開關(guān)管溫度，在輸出盡量大的電流下采用一定的電流回縮措施；在36 V以下考慮過高開關(guān)頻率的限制和系統(tǒng)工作實(shí)際，采取關(guān)機(jī)方案。

圖7 優(yōu)化策略簡圖

3 結(jié) 論

在通信電源模塊中應(yīng)用LLC諧振變換器時(shí)，在限流態(tài)的特定區(qū)域，變換器處于開關(guān)頻率高于諧振頻率的工作模式，高的開關(guān)頻率和大的關(guān)斷電流可能引發(fā)開關(guān)管溫升過高問題。本文在變換器工作模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)測試基礎(chǔ)上，提出了實(shí)用化解決方案。