LLC谐振变换器与不对称半桥变换器的对比

LLC谐 振 变 换 器 与不 对 称 半 桥 变 换 器 的 对 比

摘 要 ： 介 绍 了LLC谐 振 变 换 器 和 不 对 称 半 桥 变 换 器 两 种 不 同 类 型 的 软 开 关 拓 扑 。 分 析 了 它 们 的 工 作 原 理 ， 分 别 对 它 们 的 控 制 方 法 ， 副 边 整 流 管 的 电 压 应 力 和 副 边 的 开 通 等 进 行 了 比 较 ， 分 析 结 果 表 明 ，LLC谐 振 变 换 器 更 适 合 高 频 化 和 高 效 率 的 要 求 。

关 键 词 ：LLC谐 振 变 换 器 ； 不 对 称 半 桥 变 换 器 ； 电 压 应 力

0    引言

    随着开关电源的发展，软开关技术得到了广泛的发展和应用，已研究出了不少高效率的电路拓扑，主要为谐振型的软开关拓扑和PWM型的软开关拓扑。近几年来，随着半导体器件制造技术的发展，开关管的导通电阻，寄生电容和反向恢复时间越来越小了，这为谐振变换器的发展提供了又一次机遇。对于谐振变换器来说，如果设计得当，能实现软开关变换，从而使得开关电源具有较高的效率。

1    两种变换器的工作原理

1.1    不对称半桥变换器

    图1和图2分别给出了传统的不对称半桥变换器的电路图和工作波形。图1中包括两个互补控制的功率MOSFET（S₁和S₂），其中S₁的占空比为D，S₂的占空比为（1－D）；隔直电容C_b，其上电压作为S₂开通时的电源；中心抽头变压器T_r，其原边匝数为N_p，副边匝数分别为N_s1和N_s2；半桥全波整流二级管D₁和D₂；输出滤波电感L_d，电容C_f。

图1    不对称半桥变换器

图2    不对称半桥变换器的工作原理

    不对称半桥（AHB）变换器的稳态工作原理如下。

    1）当S₁导通S₂关断时，变压器原边承受正向电压，副边N_s1工作；二极管D₁导通，二极管D₂截止；

    2）当S₂导通S₁关断时，隔直电容C_b上的电压加在变压器的原边，副边N_s2工作，二极管D₁截止。

    图2中n₁=N_p/N_s1，n₂=N_p/N_s2，且n₁=n₂=n。通过对电路的分析，可以得到传统不对称半桥变换器占空比D的计算公式

    D=（1）

1.2    LLC谐振变换器

    图3和图4分别给出了LLC谐振变换器的电路图和工作波形。图3中包括两个功率MOSFET（S₁和S₂），其占空比都为0.5；谐振电容C_s，副边匝数相等的中心抽头变压器T_r，T_r的漏感L_s，激磁电感L_m，L_m在某个时间段也是一个谐振电感，因此，在LLC谐振变换器中的谐振元件主要由以上3个谐振元件构成，即谐振电容C_s，电感L_s和激磁电感L_m；半桥全波整流二极管D₁和D₂，输出电容C_f。

图 3    LLC谐 振 变 换 器

图 4    LLC谐 振 变 换 器 的 工 作 原 理

    LLC变换器的稳态工作原理如下。

    1）〔t₁，t₂〕当t=t₁时，S₂关断，谐振电流给S₁的寄生电容放电，一直到S₁上的电压为零，然后S₁的体二级管导通。此阶段D₁导通，L_m上的电压被输出电压钳位，因此，只有L_s和C_s参与谐振。

    2）〔t₂，t₃〕当t=t₂时，S₁在零电压的条件下导通，变压器原边承受正向电压；D₁继续导通，S₂及D₂截止。此时C_s和L_s参与谐振，而L_m不参与谐振。

    3）〔t₃，t₄〕当t=t₃时，S₁仍然导通，而D₁与D₂处于关断状态，T_r副边与电路脱开，此时L_m，L_s和C_s一起参与谐振。实际电路中L_m>>L_s，因此，在这个阶段可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变。

    4）〔t₄，t₅〕当t=t₄时，S₁关断，谐振电流给S₂的寄生电容放电，一直到S₂上的电压为零，然后S₂的体二级管导通。此阶段D₂导通，L_m上的电压被输出电压钳位，因此，只有L_s和C_s参与谐振。

    5）〔t₅，t₆〕当t=t₅时，S₂在零电压的条件下导通，T_r原边承受反向电压；D₂继续导通，而S₁和D₁截止。此时仅C_s和L_s参与谐振，L_m上的电压被输出电压箝位，而不参与谐振。

    6）〔t₆，t₇〕当t=t₆时，S₂仍然导通，而D₁和D₂处于关断状态，T_r副边与电路脱开，此时L_m，L_s和C_s一起参与谐振。实际电路中L_m>>L_s，因此 ， 在 这 个 阶 段 可 以 认 为 激 磁 电 流 和 谐 振 电 流 都 保 持 不 变 。

    通过上面的详细分析，对这两类软开关型变换器的工作原理及其特性有了一定的了解，下面将对它们之间的差异进行比较，进一步加深对它们的认识。

2    两种变换器差异的对比

    虽然不对称半桥变换器和LLC谐振变换器都是软开关型变换器，但是，两者有本质的区别。不对称半桥变换器是PWM型的，而LLC谐振变换器是谐振型的，因此，它们在控制方法、副边整流管的电压应力、原边的电流应力等方面有很大的差异，下面将对这些差异进行详细分析。

2.1    控制方法的对比

    不对称半桥变换器通过调节开关管的占空比来调节输出电压，图5给出了在不同的输入电压下的占空比变化情况，从图5可以看出当输入电压变化范围比较大时，开关管的占空比变化范围也比较大，因此，不对称半桥变换器的掉电维持时间特性比较差。

图 5    不 对 称 半 桥 占 空 比 变 化 图

    与不对称半桥变换器相比，LLC谐振变换器是通过调节开关频率来调节输出电压的，也就是在不同的输入电压下它的占空比保持不变，因此，与不对称半桥相比，它的掉电维持时间特性比较好，可以广泛地应用在对掉电维持时间要求比较高的场合。

2.2    副边整流管电压应力的对比

    通过对不对称半桥变换器工作原理的分析，可以得到副边二极管上的电压应力的计算方法如式（2）及式（3）所示，这样当输入电压变化时，就可以了解副边二极管电压的变化情况。图6给出了输出电压为48V时副边整流管上电压变化情况。当输入电压比较高时，D₂上的电压比较高，因此，D₂必须选用耐压等级比较高的二极管，这样就会增加电路的损耗。

    V_D1=（2）

    V_D2=（3）

图6    不 对 称 半 桥 中 副 边 二 级 管 电 压 应 力 图

    相同条件下，LLC谐振变换器中副边二极管上的电压应力比不对称半桥变换器小很多，因为，在LLC谐振变换器中副边二极管上的电压应力是输出电压的2倍，如图7所示。因此，在LLC谐振变换器中可以选择耐压比较低的二极管，从而可以提高电路的效率。

图 7    LLC变 换 器 中 副 边 二 级 管 电 压 应 力 图

2.3    副边二极管的开通对比

    从对不对称半桥变换器的分析可知其副边二极管是硬开通，损耗比较大；而从对LLC谐振变换器的分析可知其副边二极管是零电流开关，损耗比较小，这样就可以提高变换器的效率。

2.4    其他方面

    首先，在不对称半桥变换器中上下开关管的占空比是互补的，因此，不对称半桥变换器中的变压器有直流偏置现象；而在LLC谐振变换器中上下开关管的占空比是相等的，因此，LLC谐振变换器中的变压器没有直流偏置现象。

    其次，LLC谐振变换器是通过调开关管的工作频率来调节输出电压，因此，对于LLC谐振变换器来说，要实现同步整流控制比较复杂；而不对称半桥变换器是通过调开关管的占空比来调节输出电压，因此，对于不对称半桥变换器来说，要实现同步整流控制比较简单。

    另外，通过对LLC谐振变换器的分析，可知其电流应力比较高；而在不对称半桥变换器中电流应力比较低。

3    结语

    通过对不对称半桥变换器和LLC谐振变换器的分析和研究，对它们的控制方法，副边整流管电压应力和副边开通等进行的对比，可以知道LLC谐振变换器更能适合电源对高频和高效率的发展需求。