基于LLC的半桥零电压开关谐振变换器

摘要：阐述了LLC谐振电路的工作原理和特点及其与其它一些谐振电路的比较，并且用Matlab对LLC谐振进行了建模和仿真，分析了其工作区域。在此基础上，用Philips公司的零电压谐振控制器TEA1610构建了一个200W的全谐振变换器。实验证明，该变换器具有转换效率高、EMI小、不存在开关损耗等诸多优点，特别适合应用于音响、大屏幕液晶电视等产品中。

关键词：全谐振变换器 LLC 半桥 TEA1610

近代电子设备的发展，对开关电源提出了诸如高频、小型化、低噪声以及高功率密度等方面的要求。谐振型开关电源由于不存在硬开关而具有效率高、EMI小等特点，逐渐成为人们的研究热点。于是，准谐振、谐振开关、全谐振等结构应时而生。在针对减少开关损耗和降低噪声采取的各种方法中，负载参与谐振的全谐振结构是近十年来的研究热点。本文在分析LLC谐振特性的基础上，用Philips公司的TEA1610构建一种基于半桥的LLC负载谐振变换器。
1 LLC三元件谐振网络

用两个元件组成的谐振拓朴结构主要有两种：并联结构和串联结构，分别如（a）和（b）所示。串联谐振在轻负载时具有较高的效率，而在满负载时转换效率比较低；并联谐振则反之，在满负载时具有较高的转换效率，而在轻负载时转换效率比较低。而且串联谐振和并联谐振都要求较宽的频率范围。因此，这种二元的谐振网络在实际应用中都有一定的限制。

在二元件谐振网络的基础上，根据不同的应用可构建不同种类的三元件的谐振网络。三元件谐振网络与二元件谐振网络相比有很多优点，比如在全负载范围内都具有较高的转换效率，而且频率变化范围比较窄等。本文主要介绍和分析由三元件LLC构成的谐振网络，其结构如（a）所示。
串联电感Ls、并联电感Lp和谐振电容Cs组成LLC谐振网络，在此必须注意到负载也参与了谐振。对其进行建模，LLC简化模型如（b）所示，Rac为副边的负载折算到原边的等效负载，折算公式见式（1）。因为原边输入电压为方波，电流为近似正弦波，而变压器输出电压也是方波，电流也是正弦波，因此可以推导出其电压传递函数，如式（2）所示。

式中，λ=Ls/Lp；

利用Matlab对该模型进行仿真，用基波进行近似分析，可以初步分析由其工作特性，如所示。

从中可以看到，在整个频率范围内，既有降压的工作区域（M<1），也有升压的工作区域（M>1），因此LLC谐振有着较为广阔的应用范围。在轻负载时，工作频率逐渐升高，工作在降压区域内；而在重负载时，工作频率逐渐降低，工作在升压区域内。众所周知，串联谐振的工作区域是Fs/F0>1，众所周知，串联谐振的工作区域是Fs/F0>1，才能工作在ZVS的状态下。从中可以看到，在不同负载（即Q不同）下，为获得ZVS的工作条件，只要使之工作在虚线的右侧即可。而LLC谐振不仅仅局限于Fs/F0>1区域，在某些负载下可以工作在Fs/F0<1区域，同样可以获得零电压转换的工作状况。并且与串联谐振相比，在不同负载时的频率变化范围更小。因此，LLC谐振网络有着其自身触特的优点。
通过上面的分析知道，LLC谐振网络需要两个磁性元件Ls和Lp。然而，在实现应用中，考虑到高频变压器实现结构，可以把磁性元件Ls和Lp集成在一个变压器内，利用变压器的漏感作为Ls，利用变压器的磁化电感作为Lp。这样一来，可以大大减少磁性元件数目。在设计时，只要重点设计变压器的漏感与变压器磁化电感即可。因此，为增加漏感，需要在变压器中加入适当的气隙，并且控制变压器原副边的绕线方式，如所示。因为变压器的原边绕组与副边绕组是完全分离的，因此无须使用隔离胶带，这样有助于形体的小型化。

2 零电压半桥谐振控制器——TEA1610

TEA1610是Philips公司推出的零电压全谐振半桥控制器，是采用高压DMOS工艺的芯片，高侧开关管的驱动耐压可达600V，的振荡频率达1MHz。其内部结构如所示。

TEA1610内部具有电平抬升电路，可以直接驱动上桥开关管；具有一个电流控制的振荡器，用来产生的振荡频率；为保证50%占空比，振荡信号是在经过触地器后送到开关管的驱动极；内部具有死区补偿电路，通过外部电路可以控制死区时间；它还有一个关断管脚SD，当该管脚上的电压超过2.33V时，TEA1610进入关机模式，切断开关信号。此时，只能使VDD的电平低于5.3V才能重新启动。因此，可以利用该管理添加一些保护电路。

为消除在启动瞬间的尖峰电流，TEA1610还具有软启动功能。在启动时，VCO输出一个固定电平2.5V，利用该固定电平可以抬高起始振荡频率，从而避免启动瞬间的过电流。

3 用TEA1610构建LLC谐振变换器

LLC谐振变换器原理图如所示。根据第二节中介绍的方法制作变压器，采用原副边分开绕制的方法增加漏感，利用该漏感作为谐振电感，控制漏感为68μH，原边电感量为320μH。图中Cr为谐振电容，一般选用聚丙烯类电容，在该电路中选用47nF/1kV。C13和C17为实现开关管零电压关断的吸收电容，在此选用470pF/1kV。C18为振荡电容，需要根据所设定的频率进行调整，在此选用220pF。电阻R11为死区调整电阻，而R16为设定工作频率的电阻。R14为为设定启动频率的电阻，并且可以在该电阻上并联一个100mF的电容来实现软启动。因为TEA1610内部具有一个电平抬升电容，所以只需要外接一个小电容就可以实现直接驱动开关管理Q1。在完成高压启动后，辅助绕组接管TEA1610的VDD，并且利用辅助绕组和TEA1610的SD管脚实现过压检测及其它保护。
4 实验结果

用TEA1610构建的一个LLC谐振变换器，输出+/-26V，总功率为200W。由无负载状态起至额定负载止的频率控制范围介于80kHz～150kHz之前，（a）显示了在空载150kHz时的电流三角波波形。副边采用肖特基二极管作为整流二极管时，在满负载的状况下，其效率可以达到90%以上，在半载情况下效率达到88%。这是因为在该变换器中，不存在开关损耗，只有导通损耗，如（b）所示。在开关管开通时电流流过其体二极管，此时开关管上的压降只有1V左右，基本上是零电压开通；在开管管关断时，通过开关管上并联一个电容来实现零电压关断。此时导通损耗和副边整流二极管成为影响其效率的主要因素，当输入电压较低或输入电流较大时，由于主开关管内所导通的电流增多，会导致其效率的降低。由于变压器的侧和二次侧之间由绕线轴架予以隔开，所以变压器的泄漏磁通比较多，电线容易受泄漏磁通及邻近效应的响应而发热，致使效率降低，因此原边的绕组应采用较细线径为好。

（c）和（d）是在200W负载时原边电压和电流波形。从图中可以看到原边电流波形几乎是正弦波，副边电流同样是正弦波。由于在开关管内不存在硬开关，其dV/dt和dI/dt都比较小。因此，该变换器的EMI得到了很大的改善。

另外，一般的高频变压器要求侧和二次侧具有较好的耦合。这样，侧和二次侧间的寄生电容介于50～100pF之间。而LLC谐振变压器则采用侧和二次侧完全分开的方式，变压器的寄生电容甚小，一般小于10pF。因此其传导干扰会更小。

本文介绍了LLC谐振网络的工作特性并阐述了LLC谐振网络变换器的变压器的设计方法，同时简单介绍了Philips公司的谐振控制器TEA1610。用TEA1610构建了一个200W半桥谐振变换器。实验结果表明，采用基于LLC谐振网络的半桥变换器具有EMI小、效率高等优点，与PWM控制变换器相比有着其独特的应用领域。

参考文献:

[1]. TEA1610 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TEA1610_285613.html.
[2]. C13 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C13_1844988.html.