文/于廣生 朱子庚 高昂 張曉麗

1 引言

在直流充電模塊等開關(guān)電源的DC-DC變換中，LLC 電路可以通過控制開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定。它可以使原邊兩個(gè)主MΟS開關(guān)管零電壓開通和副邊整流二極管零電流關(guān)斷，通過軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)管的開通損耗和噪聲，提高功率變換器的效率和功率密度。然而，由于開關(guān)管寄生參數(shù)的存在，實(shí)際調(diào)試中經(jīng)常碰到MΟS管開通時(shí)柵源極電壓振蕩問題，尤其是低電壓輸出條件下該現(xiàn)象更為明顯。

本文針對LLC電路M0S管驅(qū)動振蕩問題采用了添加輔助網(wǎng)路的方法進(jìn)行優(yōu)化，既避免大規(guī)模改變原電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又在一定程度上削弱了柵源極電壓波形振蕩，大大降低了開關(guān)管乃至整個(gè)充電模塊損壞的幾率，保證模塊可以正常帶負(fù)載運(yùn)行。

2 輔助網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 LLC電路硬開關(guān)問題

根據(jù)LLC電路不同工作模態(tài)分析可知，利用變壓器漏感和外加諧振電感中的儲能對開關(guān)管的并聯(lián)電容放電，并導(dǎo)通與開關(guān)管反并聯(lián)的寄生二極管，可以創(chuàng)造出MΟS管的零電壓開關(guān)條件。超前橋臂比較容易實(shí)現(xiàn)ZVS，而滯后橋臂就相對較難實(shí)現(xiàn)。

滯后橋臂在開通和關(guān)斷過程中，變壓器副邊是短路的，此時(shí)整個(gè)LLC諧振變換器可以看作兩部分：一是諧振變壓器的原邊電流逐漸改變流通方向；二是負(fù)載電流由整流橋提供續(xù)流回路，負(fù)載側(cè)與變壓器的原邊沒有關(guān)系。滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS的途徑只能是利用諧振電感中的能量，即滿足下列式子才能實(shí)現(xiàn)ZVS：

圖1：LLC諧振電路簡化原理圖

圖2：LLC電路印制板

其中，Lr為諧振電感，Cg為MΟS管的寄生電容，CTR為原邊磁性材料的寄生電容，CW為開關(guān)管外并聯(lián)電容。

2.2 LLC諧振輔助網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

我們在應(yīng)用MΟS管和設(shè)計(jì)MΟS管驅(qū)動電路的時(shí)候，會遇到很多寄生參數(shù)，像寄生電感、寄生電容和體二極管都是要考慮的重要因素。針對滯后橋臂MΟS管的硬開關(guān)問題以及寄生參數(shù)可能造成開通損耗和開通噪聲問題，設(shè)計(jì)了輔助網(wǎng)路對諧振電路進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對干擾信號進(jìn)行抑制。即在開關(guān)管驅(qū)動電路中接入阻斷電感、阻斷電容和二極管等器件，利用輔助網(wǎng)絡(luò)的電感能量，將占空比丟失減少到最小，使開關(guān)管在比較寬的加載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。同時(shí)，通過減少副邊占空比的丟失，進(jìn)一步提高直流模塊的效率。圖1為帶輔助網(wǎng)絡(luò)的LLC諧振電路簡化原理圖。

針對LLC電路印制板部分，出于電路穩(wěn)定性考慮，盡可能保留了原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，也便于進(jìn)行后續(xù)電氣性能對比分析。圖2為修改前及修改后的LLC電路印制板。

3 開關(guān)管驅(qū)動測試

圖4：添加輔助網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動電壓波形

采用改進(jìn)的PCB重新組裝了新的充電模塊，該模塊的最大輸出功率為15kW，輸出直流電壓范圍為200V-750V。將模塊輸出直流電壓值設(shè)定為下限200V，輸出負(fù)載選取空載和10A等兩個(gè)典型條件，分別進(jìn)行了開關(guān)管驅(qū)動波形對比測試。其中，負(fù)載采用的是純阻性負(fù)載。經(jīng)過對器件參數(shù)選型，選用84μH的輔助電感和6.6nF的輔助電容。輸出電壓200V，輸出空載時(shí)，驅(qū)動電壓波形如圖3和圖4所示。

圖5：未添加輔助網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動電壓波形

圖6：添加輔助網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動電壓波形

通過圖3可以看出，空載條件下，未改善驅(qū)動電路之前，開關(guān)管開通過程在米勒平臺附近出現(xiàn)了8V電壓幅值左右的振蕩現(xiàn)象；在關(guān)斷時(shí)，由于di/dt很大，將產(chǎn)生較大的關(guān)斷電壓尖峰，從圖上可以看出來柵源極電壓有15V左右的振蕩幅度。而通過圖4可以看出，添加輔助網(wǎng)絡(luò)后開通過程電壓波形較平滑，沒有出現(xiàn)開關(guān)管硬開關(guān)現(xiàn)象，電壓振蕩情況得以抑制。

輸出電壓200V，輸出負(fù)載10A時(shí)，驅(qū)動電壓波形如圖5和圖6所示。

通過對比圖5和圖6可以看出，加載10A條件下，未改善驅(qū)動電路之前，開關(guān)管導(dǎo)通過程柵源極電壓有15V左右的振蕩幅度，關(guān)斷時(shí)也產(chǎn)生了明顯的關(guān)斷電壓尖峰，而添加輔助網(wǎng)絡(luò)后開通過程電壓波形較平滑，沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。這就表明，采用輔助網(wǎng)絡(luò)后可以有效吸收干擾，明顯抑制開關(guān)管硬開關(guān)后帶來的開通柵源極電壓波形振蕩。

4 總結(jié)

通過充電模塊反復(fù)帶輕載測試對LLC諧振電路輔助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，在沒有添加輔助諧振網(wǎng)絡(luò)之前，滯后橋臂開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)了硬開關(guān)現(xiàn)象，MΟS管開通過程柵源電壓振蕩現(xiàn)象比較明顯。而添加了輔助諧振網(wǎng)絡(luò)后，滯后橋臂開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)，電壓波形振蕩問題得以消除，LLC諧振電路穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，同時(shí)也降低了MΟS管損壞的風(fēng)險(xiǎn)。