基于MC33067的高效率全橋LLC諧振變換器的研制

李曉明， 史永勝， 雷懷光， 高丹陽

(1.陜西科技大學 電氣與信息工程學院, 陜西 西安　710021； 2.陜西科技大學 理學院， 陜西 西安　710021； 3.陜西科技大學 人事處， 陜西 西安　710021)

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基于MC33067的高效率全橋LLC諧振變換器的研制

李曉明1， 史永勝2*， 雷懷光3， 高丹陽1

(1.陜西科技大學 電氣與信息工程學院, 陜西 西安710021； 2.陜西科技大學 理學院， 陜西 西安710021； 3.陜西科技大學 人事處， 陜西 西安710021)

摘要：對全橋LLC諧振變換器的工作原理進行了分析，并采用高性能諧振控制器MC33067設計了一款輸入為DC300～400 V、輸出為DC48V/12A的原理樣機，同時利用Saber仿真軟件對其進行輔助設計.仿真結果表明，其輸出電壓穩(wěn)定在48 V左右、輸出紋波小于±0.5%，理論設計合理；樣機測試結果表明，本文所設計的全橋LLC諧振變換器能夠在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關，效率達到了93%以上，符合設計要求.

關鍵詞：變換器； 諧振； 軟開關； Saber軟件

0引言

隨著電力電子技術的快速發(fā)展，人們對開關電源的高頻化、高效率、高功率密度以及低噪聲等提出了更加嚴苛的要求[1-3].全橋LLC諧振變換器因其電路結構簡單、在寬負載范圍內(nèi)可實現(xiàn)零電壓開關(ZeroVoltageSwitch，ZVS)和零電流開關(ZeroCurrentSwitch，ZCS)，且當其工作在諧振頻率附近時，初及次級電流接近正弦、高次諧波小等優(yōu)點，故有利于電磁干擾(ElectromagneticInterference，EMI)設計[4,5].但又由于其諧振腔參數(shù)設計自由度高，使得調(diào)試工作繁瑣耗時.基于些，本文采用Saber仿真軟件對其進行仿真.

近幾年來，Matlab、Pspice等仿真軟件因為功能相對比較齊全，所以應用較為廣泛.目前而言,Saber軟件因具有集成度高、元件庫豐富、完整的圖形查看功能、完整的高級仿真以及強大的收斂性分析和仿真精度高等優(yōu)點，而在國內(nèi)得到了快速地推廣應用[6-8].

本文采用高性能諧振控制器MC33067設計了一臺輸入為DC300～400V，輸出為DC48V/12A的原理樣機，并利用Saber仿真軟件對其進行了仿真，同時對試驗結果進行分析驗證.

1全橋LLC諧振變換器的基本工作原理

圖1為全橋LLC諧振變換器的拓撲.全橋結構由于具有較高的功率密度而被應用在大、中功率場合[9-11].該電路主要包括初級輸入穩(wěn)壓大電容C1、四個主功率開關管(S1-S4)以及它們的體二極管和漏源極之間的寄生電容、諧振腔(勵磁電感Lm、諧振電感Lr、諧振電容Cr，其中勵磁電感Lm集成在變壓器里)；次級則由整流二極管(D5、D6)以及輸出濾波電容C2組成.

該變換器采用脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulation，PFM)，由Lr、Cr組成第一諧振頻率為：

(1)

由Lr、Cr和Lm組成第二諧振頻率為：

(2)

在這里,我們令fs為諧振變換器的工作頻率.

圖1　全橋LLC諧振變換器的主電路拓撲

全橋LLC諧振變換器在調(diào)頻工作模式下，通過改變開關頻率來調(diào)節(jié)其能量輸出的大小.根據(jù)工作頻率fs與諧振頻率f1的大小關系，LLC諧振變換器存在三種工作模式.對于全橋LLC諧振變換器電路，當fs>f1時，其工作狀態(tài)類似于串聯(lián)諧振(SRC)；當fs=f1時，勵磁電感Lm不參與諧振，端電壓被鉗位，實現(xiàn)整流二極管ZCS關斷；當f1>fs>f2時，電路總是工作在ZVS狀態(tài)，整流二極管實現(xiàn)ZCS關斷，從而得到較高的效率.使用Saber軟件對此模式(f1>fs>f2)進行仿真，得到電路的主要工作波形如圖2所示.

圖2　全橋LLC諧振變換器電路的主要波形

2全橋LLC諧振變換器的設計

全橋LLC諧振變換器電路的設計難點主要在于對諧振網(wǎng)絡內(nèi)部參數(shù)的設計.合理的參數(shù)設計才能夠保證變換器在全范圍電壓輸入的情況下，實現(xiàn)開關管的零電壓開關和整流二極管的零電流開關.本文令Uin=300～400V、Uout=48V、Iout=12A、整流二極管導通壓降Uf=1.5V.

2.1主電路關鍵參數(shù)設計

選取fs=100KHz，利用Mathcad軟件對參數(shù)進行輔助設計.

(1)選用MUR3020PT快速恢復二極管作為整流二極管，其壓降Vf為1.5V.計算變壓器變比為:

(3)

根據(jù)實際情況，取N為9.利用AP算法求得原邊匝數(shù)為36匝、副邊匝數(shù)為4匝.

(2)計算最大、最小輸入電壓時增益Mmin、Mmax.

(4)

(5)

其中，Umin、Umax分別為輸入直流電壓的最小值和最大值，分別為324V和396V.

(3)計算等效電阻.

(6)

(4)計算K、Q、Cr、Lr、Lm為：

(7)

在這里，K取為4.

其中，最高開關頻率一般為fn_max=2

(8)

(9)

在這里，取Q=0.3

(10)

(11)

Lm=KLr=418 uH

(12)

主電路關鍵參數(shù)設計完畢后，在保證輸出功率留有一定裕量的前提下，主變壓器選用EE50磁芯，初級功率管選用SPP20N60C，次級整流管選用MUR3020PT快速恢復二極管，輸出濾波電容的選擇要考慮體積和成本.當輸出濾波電容很大時，輸出電壓穩(wěn)定性越好，故這里我們選擇3個100uF/50V小容量的電解電容并聯(lián)而成，減少電容等效串聯(lián)電阻ESR，以減小輸出電壓紋波.

2.2控制電路參數(shù)設計

如圖3所示，全橋LLC諧振變換器的控制部分主要是由三個部分構成，即驅動信號的產(chǎn)生電路、功率驅動電路以及輸出隔離反饋電路.其中,驅動信號是由高性能諧振控制器MC33067產(chǎn)生，功率驅動電路主要由6N137和IR2110構成，輸出隔離反饋電路由PC817構成.

MC33067主要應用于離線和DC/DC變換器場合，其實質(zhì)性機理是通過改變電流來改變內(nèi)部壓腔振蕩器頻率.芯片采用固定死區(qū)時間的PFM互補調(diào)制技術[12].通過采樣電路對輸出電壓進行采集，將采樣電壓與芯片內(nèi)部的基準電壓進行比較，芯片將根據(jù)反饋量大小進行PFM.最后，通過帶光耦隔離的驅動電路來驅動四個MOSFET.芯片內(nèi)部則主要由壓腔振蕩器、誤差放大器、基準電壓、軟啟動電路以及輸出電路等構成.

圖3　MC33067硬件結構示意圖

圖4　振蕩器的外圍連接電路

MC33067芯片外圍電路的主要參數(shù)設計如下：

(1)最小/最大開關頻率.

MC33067的最大/最小頻率應該與主電路的最大/最小工作頻率相匹配.即最大頻率為100KHz、最小頻率為50KHz.

(2)振蕩電容Cosc、振蕩電阻Rose、調(diào)頻電阻RVFO.

如圖4所示，通過改變流出振蕩器的電流來調(diào)節(jié)振蕩器的頻率.調(diào)頻電阻RVFO與誤差放大器輸出一起作用來改變流出振蕩器的電流(Irosc).當誤差放大器輸出為低電平時，此時流出振蕩器的電流達到最大值，最大頻率也相應出現(xiàn);相反，當誤差放大器輸出為高電平時，此時流出振蕩器的電流為零，最小頻率出現(xiàn).

振蕩電容Cosc通過振蕩電阻Rose放電.振蕩電容Cosc阻值確定后，振蕩電阻Rose便可決定其最小頻率.在這里，我們?nèi)osc=2.4nF.以下，給出Rose的計算方法：

(13)

式(13)中：tPD為芯片的內(nèi)部傳輸延時.

(14)

式(14)中：VEAsat為電壓誤差放大器低電位時的飽和電壓，其值為0.1V；Imax為輸出頻率為最大頻率時振蕩電容需要的總放電電流.

(3)定時電阻RT和定時電容CT.

如圖4所示，死區(qū)時間通過16引腳的外圍電路決定，所以定時電阻RT和定時電容CT主要和死區(qū)時間有關.本文設定了相對較長的死區(qū)時間為Tdead=500ns.

(15)

得到RT=2.9kΩ、CT=500nF.

3實驗仿真與分析

在Saber模型庫中選取相對應的模型對整體電路進行搭建[13].如果選件庫內(nèi)沒有相對應的合適模型，可以用相近模型來替代或者建模.

由元器件搭建的電路圖在Saber仿真軟件環(huán)境下,需對元器件參數(shù)進行設計和調(diào)整.這里要著重注意的是：每調(diào)整參數(shù)一次，就需要在Schematic列表中選擇Re-Reference進行重新參考，在Design下拉菜單里的Use中選擇當前文件，并再次通過Design菜單選擇Netlist_(自定義文件名)進行網(wǎng)表化.這樣的操作可以避免在直流掃描分析和瞬態(tài)分析中出現(xiàn)不必要的錯誤.

為了驗證本設計具有高效率的特性,本文研制了一臺基于MC33067的全橋LLC諧振變換器樣機，其設計參數(shù)如下：

輸入電壓：Vin=300～400VDC；

輸出額定功率：Po=576W；

輸出直流電壓：Vo=48VDC；

輸出直流電流：Io=12A；

輸出電壓紋波：<±0.5%；

效率：不低于93%;

工作頻率：fs=100KHz.

圖5為滿載時超前橋臂MOS管柵極驅動信號、漏源極電壓、勵磁電流和諧振電流的波形.由圖5可以看出，當MOS管關斷時，其漏源電壓緩慢上升;當MOS管開通時，其漏源電壓已經(jīng)降為零，從而實現(xiàn)了零電壓開關.當全橋LLC諧振變換器工作在f1>fs>f2的頻率范圍時，一個開關周期可以分為8個階段，當輸入電壓增加時，通過增大開關頻率來維持輸出電壓的穩(wěn)定.

圖5　Saber仿真全橋LLC諧振變換器電路的主要波形

在CosmosScope界面觀察相關波形，其輸出電壓波形圖如圖6所示.對輸出電壓進行測量，其值為48.056V，達到了輸出電壓紋波小于1V的要求.

圖6　滿載時輸出電壓波形

4實驗結果

圖7為全橋LLC諧振變換器的實物圖.包括主電路和采樣電路.將其與控制電路、驅動電路依次連接，并進行上電測試.

圖7　全橋LLC諧振變換器實物

可以得到圖8所示的實驗波形為S2零電壓開通時各極間電壓.上電測試表明，此全橋諧振變換器能夠在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)原邊開關管的零電壓開通和副邊二極管的零電流關斷.

圖8　實驗波形

當變換器工作在f1>fs>f2的頻率范圍內(nèi)時，其實際工作效率隨著輸入電壓的不斷增加而增加；直至變換器的輸入電壓超過380V時，效率開始下降.其原因是變換器工作的諧振頻率點超過了f1的頻率，此時的副邊二極管存在反向恢復問題，使得損耗增加，效率降低.

綜上所述可知，當輸入電壓工作在380V±0.5%附近時，效率達到最高，此時的工作頻率理論上等于f1.

圖9為不同輸入電壓時效率的測試數(shù)據(jù)圖.

圖9　不同輸入電壓時效率的測試數(shù)據(jù)圖

5結論

本文介紹了全橋LLC諧振變換器的工作原理，并采用高性能諧振控制器MC33067設計了一款輸入為DC300～400V，輸出為DC48V/12A的實驗樣機.

實驗結果表明，該拓撲結構簡單易控，大大降低了開斷損耗，并且能夠在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)初級開關管ZVS、次級整流二級管ZCS、輸出紋波低于1V、效率達到93%以上，符合開關電源高功率密度和高效率的要求.因此，該拓撲具有很好的應用前景[14-16].

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Developmentofhigh-efficiencyoffull-bridgeLLC

resonantconverterbasedonMC33067

LIXiao-ming1， SHI Yong-sheng2*，LEIHuai-guang3, GAO Dan-yang1

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology，Xi′an710021,China； 2.CollegeofScience,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China; 3.PersonnelDivision,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China)

Abstract:This paper analyzes the theory of LLC resonant converter that takes the full-bridge as the main circuit.An program for the full-bridge converter based on MC33067 is introduced.Finally a prototype of 300～400 V input,48 V/12 A output was fabricated and tested.Using Saber software in designing the full-bridge LLC resonant converter.The experimental results proved that the output voltage is stable at 48 V,output ripple is less than ±0.5%，efficiency is more than 93%,achieve the design requirements.

Key words:converter； resonant； soft switching； Saber software

中圖分類號：TM461

文獻標志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)05-0178-05

通訊作者

作者簡介:李曉明(1991-)，男，陜西西安人，在讀碩士研究生，研究方向:電力電子與電力傳動:史永勝(1964-)，男，陜西西安人，教授，博士，研究方向:開關電源技術，shiys@sust.edu.cn

收稿日期:*2015-09-11基金項目：陜西省教育廳專項科研計劃項目(12JK0494)； 陜西科技大學博士科研啟動基金項目(BJ08-07)