基于諧振模式的大功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)

劉曉紅，劉克亮，胡 健

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802）

0 概述

開關(guān)電源是目前電源的主要發(fā)展趨勢。從輸出電壓的高低來看，開關(guān)電源可分為低壓電源、高壓電源。開關(guān)電源的發(fā)展方向?yàn)楦哳l化、高效化、模塊化。幾種基本的開關(guān)電源為脈沖寬度調(diào)制（PWM）式，脈沖頻率調(diào)制（PFM）式，脈沖相位調(diào)制（PPM）式。脈沖頻率調(diào)制式(PFM)電源因?yàn)槠涔逃械膬?yōu)點(diǎn)在大功率開關(guān)電源領(lǐng)域有著一定的地位。本文探討的是脈沖調(diào)頻式電源諧振回路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究并聯(lián)、串聯(lián)諧振變換器的特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 電源參數(shù)和電路結(jié)構(gòu)

大多數(shù)的諧振變換器都集中在半橋或全橋拓?fù)浞矫?，本文以全橋拓?fù)錇槔M(jìn)行討論。當(dāng)折算后的輸出負(fù)載（折算到變壓器初級）和諧振電容并聯(lián)，則該電路稱為并聯(lián)諧振變換器，一般適用于輸出為低壓大電流的場合，如圖1（a）。當(dāng)折算后的輸出負(fù)載與諧振LC 電路串聯(lián)，則該電路稱為串聯(lián)諧振變換器，一般適用于輸出為高壓的場合，如圖1（b）。

圖1 諧振式變換器基本電路

圖中Lm 為變壓器的等效勵磁電感（后面有敘述），并不是實(shí)際的并聯(lián)電感；Lr 為諧振電感，其包含變壓器的漏感；Cr 為諧振電容。

2 電路工作過程

2.1 諧振變換器的工作模式

本文涉及的模式主要是電流不連續(xù)模式、電流連續(xù)模式；以及欠諧振模式和過諧振模式。

諧振變換器可運(yùn)行于電流連續(xù)模式或電流不連續(xù)模式下。電流不連續(xù)模式下，LC 回路中的電流不是連續(xù)的正弦波，而是被一個(gè)大的時(shí)間間隔Ts 所分割的半軸或整周正弦電流所組成的脈沖序列，如圖2 所示。在不連續(xù)模式下，變換器通過調(diào)整開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整。而電流連續(xù)模式可認(rèn)為是一種特殊情況，即：t2-t0 幾乎等于Ts，在連續(xù)模式下，電路中連續(xù)的正弦電流或開關(guān)管連續(xù)方波電壓脈沖間的間隙（死區(qū)）可以忽略不計(jì)。

近年來，在20～50KHz 的頻率范圍內(nèi)，諧振變換器可以很好的運(yùn)行在不連續(xù)模式下。然而，在不連續(xù)模式下，負(fù)載和輸入的劇烈波動會引起開關(guān)頻率的劇烈波動。變換器工作于連續(xù)模式下可以克服此缺點(diǎn)。

LC 諧振回路的阻抗—頻率特性曲線如圖3 所示。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)模式的幅值控制—穩(wěn)壓，在諧振曲線上的欠諧振側(cè)或過諧振側(cè)可以確定平均開關(guān)頻率。

連續(xù)模式下的直流輸出電壓，與諧振電容的交流電壓峰值成正比，或者與LC 串聯(lián)的交流電流峰值成正比。沿著諧振特性曲線移動改變開關(guān)頻率可以改變輸出幅值，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

開關(guān)管工作頻率高于諧振曲線諧振峰值處的頻率，稱為過諧振模式；開關(guān)管工作頻率低于諧振曲線諧振峰值處的頻率，稱為欠諧振模式。從圖3 可看出，諧振曲線非常陡（高Q 值），頻率稍有變化，輸出就會發(fā)生很大的變化。

應(yīng)該注意的是：平均開關(guān)頻率高于諧振峰值處的頻率時(shí)，必須降低開關(guān)頻率以提高輸出電壓或電流；平均開關(guān)頻率低于諧振峰值處的頻率時(shí)，必須提高開關(guān)頻率以提高輸出電壓或電流。

可以根據(jù)公式來確定電源的工作模式：

Fs 定義為平均開關(guān)頻率，其中Ts 的定義見圖2；

Fr 定義為本征諧振頻率1，見圖1，圖3；

F0 定義為本征諧振頻率2，其中Lm 為變壓器的勵磁電感，Lm 一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Lr；

若Fs ＞Fr，則工作于連續(xù)模式；

若F0 ＜Fs ＜Fr,則工作于不連續(xù)模式；

連續(xù)工作模式下，達(dá)到所要求的負(fù)載和輸入調(diào)整需要更小的頻率范圍。對于工作于過諧振模式的電路，由于其諧振曲線相對比較陡，所以由于器件的微小制造誤差都會使諧振頻率發(fā)生偏移。若這種偏移過大，就可能使系統(tǒng)從過諧振模式漂移到欠諧振模式，此時(shí)一旦反饋環(huán)采樣發(fā)現(xiàn)輸出電壓下降，就會降低開關(guān)頻率對輸出進(jìn)行校正。這樣會導(dǎo)致輸出電壓進(jìn)一步下降，使負(fù)反饋?zhàn)兂烧答?。連續(xù)模式的缺點(diǎn)就是對諧振參數(shù)的一致性要求較高，對于成批生產(chǎn)的開關(guān)電源，連續(xù)模式下可能會產(chǎn)生不可預(yù)料的后果。因此其應(yīng)用比較受限。

2.2 不連續(xù)模式（CCM）下的諧振變換器

在諧振變換器拓?fù)渲校瑧?yīng)用較多的還是不連續(xù)模式。如前面所述，不連續(xù)模式的缺點(diǎn)是輸入電壓和負(fù)載不能大幅度的變化，且不連續(xù)模式下穩(wěn)壓所需的頻率范圍較大，這樣就大大限制了其應(yīng)用場合。不過設(shè)計(jì)師可以揚(yáng)其長，避其短，設(shè)計(jì)出滿足需求的電源。根據(jù)交流分析法得到LLC 諧振變換器的輸入輸出特性為：

n 為變壓器原副變匝比

2.2.1 參數(shù)k 的影響

對于一個(gè)輸入輸出和功率一定的變換器而言，匝比n 固定，在某一Q 下，不同的k 值所帶來的影響：隨著k 值的增大，最大增益在減小，在輸入電壓較低時(shí)也許達(dá)不到所要求的輸出電壓，且隨著k 值的增大，為保證所需的輸出電壓使得變換器的工作頻率范圍變寬，這不利于磁性元件的工作；但k 越小則Lm 越小，存在較大的關(guān)斷損耗，故k 值的選擇應(yīng)折中考慮開關(guān)頻率的范圍、零電壓開通及較小的關(guān)斷電流。典型情況下，k=2～4。k 值可決定在一次繞組電感中儲存多少能量。k 值越大，變換器的一次側(cè)電流和增益越低，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓時(shí)所需工作頻率范圍也越大。對于部分電源設(shè)計(jì)來說，k 值可能會高達(dá)100，甚至幾百。

2.2.2 參數(shù)Q 的影響

在確定了n 和k 值的情況下，Q 值的大小直接關(guān)系到直流增益是否足夠大。對于特定的輸入電壓范圍Q 值越小，所對應(yīng)的開關(guān)頻率范圍越小(對于F0＜Fs＜Fr 這種工作模態(tài)而言)，這樣有助于磁性元件的工作；但對于確定了的Lm 和Lr，Q 越小Cr越大，諧振腔的阻抗變小，使得變換器的短路特性變差，在負(fù)載較重的時(shí)候盡量選擇較小的Cr 以達(dá)到要求的輸出電壓。這種模式下，一般將滿載時(shí)的工作頻率設(shè)計(jì)為接近或等于諧振頻率（Fs ≈Fr），此時(shí)電源的效率最高，而工作頻率越是遠(yuǎn)離Fr，效率就越低。

2.3 分析結(jié)果

本文介紹的兩種諧振變換器目前在一些特定的場合仍在大量使用，兩種變換器分別適用于低壓大電流場合和高壓場合。兩種變換器都有連續(xù)模式和不連續(xù)模式，連續(xù)模式可以適應(yīng)輸入電壓和負(fù)載波動較大的場合，但是其對器件和電路的一致性有較高要求，因此應(yīng)用場合非常受限。不連續(xù)模式不能適應(yīng)輸入電壓和負(fù)載波動較大的場合，但在輸入電壓和負(fù)載波動不大的場合，由于其設(shè)計(jì)較為容易，仍在大量使用，尤其是在真空發(fā)射機(jī)、固態(tài)發(fā)射機(jī)以及一些數(shù)字設(shè)備、通信設(shè)備等產(chǎn)品上應(yīng)用較多。

3 小結(jié)

本文介紹了諧振變換器下的連續(xù)模式和不連續(xù)模式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)分析了不連續(xù)模式下參數(shù)k 和參數(shù)Q 對電路設(shè)計(jì)的影響。在電源設(shè)計(jì)之初應(yīng)該搞清楚諧振變換器的優(yōu)缺點(diǎn)，以及諧振變換器中連續(xù)模式和不連續(xù)模式的適應(yīng)場合，合理選擇電源電路。本文對該專業(yè)的工程設(shè)計(jì)人員具有一定的指導(dǎo)作用。

[1]（美）Abraham I.Pressman 等著.開關(guān)電源設(shè)計(jì).王志強(qiáng)等譯.電子工業(yè)出版社,2010

[2]王聰.軟開關(guān)功率變換器及其應(yīng)用.科學(xué)出版社.2000

[3]宋清亮.應(yīng)用在通信二次電源中的LLC 串聯(lián)諧振變換器的研究.通信電源技術(shù),2009,Vol 26 No.2：7-9

[4]陸治國,余昌斌.新型LLC 諧振變換器的分析與設(shè)計(jì).電氣應(yīng)用,2008,27(1)：65-68