【文章內(nèi)容簡介】 共有三個電路方案：其中一個方案可以采用 N 溝 MOSFET。因而工作頻率較高，采用該技術(shù)可以將 ZVS軟開關(guān)、同步整流技術(shù)、磁能轉(zhuǎn)換都結(jié)合在一起，因而它實現(xiàn)了高達 92%的效率及 250W/in3 以上的功率密度。（即四分之一磚 DC/DC 做到 250W 功率輸出及 92%以上的轉(zhuǎn)換效率） [1] 河海大學文天學院學士論文 3 軟開關(guān)技術(shù) 60 年代開始使用的 PWM 變換器以其簡單的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方式得到廣泛的應(yīng)用。但是由于傳統(tǒng) PWM 變換器中開關(guān)器件工作在硬開關(guān)狀態(tài)下，功率開關(guān) 管的開通與關(guān)斷是在開關(guān)器件電壓和電流不為零的狀態(tài)下進行的，迫使開關(guān)器件電壓未降到零時開通，或電流未降到零時關(guān)斷。由于線路分布電感和開關(guān)輸出電容的影響，開關(guān)管開通時電流從零逐步上升，電壓逐步下降，電流上升和電壓下降有個交迭的過程，使得開通過程有較大功率損耗；類似地，開關(guān)管關(guān)斷時也有較大功率損耗。硬開關(guān)技術(shù)存在以下缺陷： （ 1）開通和關(guān)斷耗大：開關(guān)器件的電壓和電流交疊形成的開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率增加而增加。 （ 2）感性關(guān)斷和容性開通問題：由于電路中存在感性元件，當開關(guān)器件關(guān)斷時，在開關(guān)器件兩端產(chǎn)生較高的電壓尖峰， 容易造成開關(guān)器件的電壓擊穿；其次，由于開關(guān)器件中存在寄生電容，器件關(guān)斷時使寄生電容存儲能量，當器件突然開通時，儲存的能量將會瞬間耗散在開關(guān)器件內(nèi)，可能會引起開關(guān)器件過熱損耗，且由于電壓變化快，將會產(chǎn)生嚴重的開關(guān)噪聲，會嚴重影響器件的驅(qū)動電路，從而使電路工作不穩(wěn)定。 （ 3）二極管反向恢復問題：其在反向恢復期間仍處于導通狀態(tài)，同一橋臂的開關(guān)器件此時立即開通，很容易造成直流電源瞬間短路，產(chǎn)生過大的電流沖擊。 傳統(tǒng)解決硬開關(guān)中開關(guān)損耗的方法就是增加緩沖電路使開關(guān)管開通時電流緩慢上升和關(guān)斷時電壓緩慢上升，從而改變開關(guān) 軌跡，降低開關(guān)過程中開關(guān)損耗。緩沖電路中儲能元件 L和 C的值決定開關(guān)電流和電壓緩慢上升程度，其數(shù)值越大，緩沖能力越強，開關(guān)損耗越小。但是有損緩沖電路的實質(zhì)就是將功率器件所減少的能耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中，在強緩沖時反而會增加開關(guān)電路損耗。采用無損緩沖電路可以減小這一矛盾，但需要額外增加元件，大大增加電路復雜性。因此，軟開關(guān)技術(shù) [1,2,3]就發(fā)展起來了。 隨著電源技術(shù)深入發(fā)展，市場競爭激烈加劇。為了降低成本和減小變換器體積，電源制造商意識到必須采用新技術(shù)。因此，如何選擇合適電路拓撲，在不增加成本前提下，有效利用軟開 關(guān)技術(shù)達到設(shè)計要求，是電源工程師的首要任務(wù)。 河海大學文天學院學士論文 4 諧振變換器與諧振電源 諧振變換器是以諧振電路為基本變換單元，利用諧振原理，使開管器件中電流或電壓按正弦或準正弦規(guī)律變化，在開關(guān)管電流自然過零后關(guān)斷開關(guān)管；或在開關(guān)管電壓為零后開通開關(guān)管，從而實現(xiàn) ZVS 或 ZVS，降低開關(guān)損耗。諧振變換器有多種不同的分類方法，根據(jù)負載與諧振電路的連接關(guān)系，可以分為串聯(lián)諧振變換器 [16]（ SRC， series resonant converter）、并聯(lián)諧振變換器 [7]（ PRC， parallel resonant converter）、兩者結(jié)合所生成的串并聯(lián)諧振變換器 [9]（ SPRC，seriesparallel resonant converter）以及 LLC 串聯(lián)諧振變換器 [912 ]諧振電源裝置是利用無功補償原理 ,只需用較低電壓和較小容量的試驗電源 ,可進行大型發(fā)電機 ,電纜以及 GIS 組合電器的耐壓試驗 .這種試驗方法安全可靠 ,并能有效地檢出有絕緣缺陷的電氣設(shè)備。 串聯(lián)諧振變換器 圖 11 串聯(lián)諧振變換器 圖 11給出串聯(lián)諧振變換器的電路拓撲。由功率 MOS 管 Q Q2組成半橋臂，D1amp。D2和 C1amp。C2為其體內(nèi)二 極管和輸出電容。 D3amp。D4以及變壓器構(gòu)成零式全波整流環(huán)節(jié)。諧振電感 Ls和諧振電容 Cs構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，負載與諧振回路串聯(lián)在一起，諧振回路和負載構(gòu)成分壓電路，直流電壓增益不會超過 1，當電路工作在諧振頻率時，諧振回路阻抗最小，輸入電壓全部加在負載上，此時增益最大。通過改變工作頻率來改變諧振回路阻抗，從而輸出電壓就會改變。對于串聯(lián)諧振變換器來說，工作頻率大于諧振頻率才能實現(xiàn)原邊功率 MOS 管 ZVS開通。如果開關(guān)頻率小于諧振頻率時，開關(guān)管工作在 ZCS 狀態(tài)。對于功率 MOS 管來說， ZVS 是最好的選河海大學文天學院學士論文 5 擇。而串聯(lián)諧振變換器比較 嚴重的問題是輕載下需要較高開關(guān)頻率保持輸出電壓不變。圖 12和 13 分別給出了串聯(lián)諧振變換器在諧振點上的主要工作波形以及變換器輸出電壓增益曲線。 圖 12串聯(lián)諧振變換器的主要波形 圖 13 串聯(lián)諧振變換器的電壓增益曲線 串聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點在于： 工作頻率大于諧振頻率時，原邊功率 MOS 管 ZVS 開通，輸出二極管 ZCS 關(guān)斷，開關(guān)損耗小；電路結(jié)構(gòu)簡單，沒有輸出濾波電感，輸出整流二極管上電壓應(yīng)力較??；電路中的循環(huán)電流較低；諧振回路電流隨著負載變輕而減小，因此輕載效率較高；串聯(lián)諧振電容起到隔直 作用，防止高頻變壓器飽和。 其缺點在于： 輕載時電路工作頻率很高；調(diào)節(jié)范圍比較差，不適合用于設(shè)計輸入電壓范圍較寬的電源；在輕載或者空載情況下，輸出電壓不可調(diào)；輸出直流濾波電容須承受較大電流脈動。 并聯(lián)諧振變換器 圖 14 并聯(lián)諧振變換器 河海大學文天學院學士論文 6 并聯(lián)諧振變換器結(jié)構(gòu)如圖 14 所示。它是由兩個功率 MOS 管 Q1amp。Q2組成上下橋臂， D1amp。D2 和 C1amp。C2 是其體內(nèi)二極管和輸出電容，雖然諧振電感 Lp 和諧振電容 Cp 串在一起，但是負載是和諧振電容并在一起的。整流輸出經(jīng) LC 平滑濾波，向負載傳送能量。當諧振電容 Cp 端電 壓大于零時， D3導通流過輸出濾波電感電流 I0；當諧振電壓 Cp 端電壓小于零時， D4導通流過電流 I0。濾波電感 L0上電壓在一個周期內(nèi)平均為零，所以輸出電壓 V0 為全波整流后電壓的平均值。與串聯(lián)諧振變換器一樣，工作頻率大于諧振頻率才能實現(xiàn)原邊 MOS 管的 ZVS。與串聯(lián)諧振變換器相比，并聯(lián)諧振變換器工作頻率范圍較小。輕載時，它只要稍微增加開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)輸出電壓。由于負載是和諧振電容相并聯(lián)的，當負載為零時，相當于只有諧振元件參與工作，此時諧振回路阻抗較小，諧振回路電流較大，因此循環(huán)能量較高。圖 1 16 分別給出并聯(lián) 諧振變換器的主要工作波形和變換器增益曲線。 圖 15 并聯(lián)諧振變換器的主要波形 圖 16 并聯(lián)諧振變換器的電壓增益曲線 并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點在于： 工作頻率大于諧振頻率時，原邊 MOS 管實現(xiàn) ZVS 開通；輸出電流有效值較低；調(diào)節(jié)范圍較寬，變換器可以工作至輕載；輸出采用大濾波電感，對濾波電容脈動電流要求小，適用于低壓大電流的場合。 其缺點為： 電路中循環(huán)電流比較大；輸出濾波電感比較大，不利于功率密度的提高；諧振回路電流與負載輕重無關(guān)，開關(guān)管通態(tài)損耗相對固定，變換器在輕載下效率較低，適合于輸出電 壓范圍較窄和額定功率處負載相對穩(wěn)定的場合。 河海大學文天學院學士論文 7 串并聯(lián)諧振變換器 圖 17 串并聯(lián)諧振變換器 如圖 17給出 LCC串并聯(lián)諧振變換器原理圖。它是由三個諧振元件構(gòu)成：諧振電感 Ls、諧振電容 Cs 與 Cp 串聯(lián)。對于 LCC 諧振電路來說，它結(jié)合上述兩電路的優(yōu)點。同并聯(lián)諧振變換器一樣，串并聯(lián)諧振變換器空載也能夠調(diào)節(jié)輸出電壓。圖 1 19分別給出變換器工作波形和直流電壓電壓增益曲線。 圖 18 串并聯(lián)諧振變換器的主要波形 圖 19 串并聯(lián)諧振變換器電壓增益曲線 LCC 串并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點在 于： 原邊 MOS管實現(xiàn) ZVS 開通；電路的工作頻率變化范圍比較窄；輸出電流有效值較低；當負載變輕或者空載時，變換器偏向于并聯(lián)諧振變換器特性，通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率能在較寬輸入電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。 其缺點是： 調(diào)節(jié)范圍比較窄；輸出濾波電感比較大；由于變壓器原邊漏感無法參加諧振，造成變壓器電壓電流存在一定相位差，導致諧振回路中無功電流增加；電路內(nèi)循環(huán)電流較大，通態(tài)損耗加大。 河海大學文天學院學士論文 8 LLC 串聯(lián)諧振變換器 圖 110 LLC 串聯(lián)諧振變換器 LLC 串聯(lián)諧振變換器結(jié)構(gòu)如圖 110 所示。 LLC 串聯(lián)諧振變換器采用調(diào) 頻控制方式（ PFM），即橋臂上下兩個開關(guān)管占空比不變，接近 50%；同時這兩個開關(guān)管工作頻率根據(jù)工作狀態(tài)來調(diào)節(jié)，當 Q1關(guān)斷，諧振電感 Ls、諧振電容 Cs和勵磁電感 Lm一起諧振，使 Q2輸出電容 C2上電壓變?yōu)榱?，然?D2導通，為 Q2的 ZVS 創(chuàng)造條件。類似地，當 Q2關(guān)斷時，諧振電感 Ls、諧振電容 Cs和勵磁電感 Lm一起諧振，使 Q1輸出電容 C1上電壓變?yōu)榱悖缓?D1導通，為 Q1的 ZVS 創(chuàng)造條件。有關(guān)它的工作過程分析和計算公式的推導，將在下一章節(jié)中展開討論。 相對于前面三種諧振變換器， LLC 串聯(lián)諧振變換器優(yōu)點在于： 在空 載到全負載范圍內(nèi)，原邊功率 MOS 管實現(xiàn) ZVS 開通，輸出整流二極管實現(xiàn) ZCS 關(guān)斷，變壓器勵磁電感和漏感能夠被利用，可以集成到一顆磁芯上；原邊開關(guān)管關(guān)斷電流較小，關(guān)斷損耗較低；較高輸入電壓下具有高效率；輸出整流二極管電壓應(yīng)力低，能減小到兩倍輸出電壓；輸出端無濾波電感。 其缺點在于： 短路或過流時，原邊電流較大；電路中電流有效值較大。 LLC 串聯(lián)諧振變換器自身的缺點在其他三種電路中也是存在的。但是，通過合理的設(shè)計可以克服這些缺點。 移相全橋 PWM ZVS DC/DC 變換器與 LLC 串聯(lián)諧振變換器比較 移相控制的全橋 PWM變換器是在中大功率 DC/DC變換電路中最常用的電路拓河海大學文天學院學士論文 9 撲形式之一。移相 PWM 控制方式利用開關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感作為諧振元件，使開關(guān)管達到零電壓開通和關(guān)斷。從而有效地降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，減少了器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變換器提高開關(guān)頻率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的條件。同時保持了電路拓撲結(jié)構(gòu)簡潔、控制方式簡單、開關(guān)頻率恒定、元器件的電壓和電流應(yīng)力小等一系列優(yōu)點。 移相控制的全橋 PWM 變換器存在一個主要缺點是，滯后臂開關(guān)管在輕載下難以實現(xiàn)零電 壓開關(guān)，使得它不適合負載范圍變化大的場合 [1]。電路不能實現(xiàn)零電壓開關(guān)時，將產(chǎn)生以下幾個后果： 1）由于開關(guān)損耗的存在，需要增加散熱器的體積； 2）開關(guān)管開通時存在很大的 di/dt； 3）由于副邊二極管的反向恢復，高頻變壓器副邊漏感上的電流瞬變作用，在二極管上產(chǎn)生電壓過沖和振蕩，所以，在實際應(yīng)用中須在副邊二極管上加入 R－ C吸收。 針對上述問題，常見的解決方法是在變壓器原邊串接一個飽和電感 Ls，擴大變換器的零電壓開關(guān)范圍 [1119]。但是，采用這一方法后，電路仍不能達到全工作范圍的零電壓開關(guān)。而且， 由于飽和電感在實際應(yīng)用中不可能具有理想的飽和特性，這將會導致： 1）增加電路環(huán)流，從而增加變換器的導通損耗； 2）加重了副邊電壓占空比丟失，從而增加原邊電流及副邊二極管電壓應(yīng)力； 3）飽和電感以很高的頻率在正負飽和值之間切換，磁芯的損耗會很大，發(fā)熱嚴重。 下面從以下幾個方面比較兩種變換器進行比較： （ 1）在電路結(jié)構(gòu)上， LLC 半橋串聯(lián)諧振變換器相對不對稱半橋變換器，無須濾波電感，可以直接采用電容濾波，降低變換器體積，有利于功率密度提高。 （ 2）在控制方式上，兩種變換器完全不同。不對稱半橋變換器是在不改變開關(guān)頻 率的情況下，通過開關(guān)管占空比改變來調(diào)節(jié)輸出電壓；而 LLC 諧振變換器是在不改變占空比的情況下，通過開關(guān)頻率改變來調(diào)節(jié)輸出電壓。正是由于控制方式差別，不對稱半橋變換器占空比隨著輸入電壓升高而降低。假設(shè)固定匝比 n河海大學文天學院學士論文 10 和輸出電壓 V0，當輸入電壓為 300V，占空比為 ，而當輸入電壓增大到 400V，占空比只有 ，占空比丟失嚴重，單個周期內(nèi)傳遞能量時間減少，導致在高輸入電壓下變換器效率反而下降。而 LLC 諧振變換器由于采用變頻控制方式，不存在寬輸入電壓范圍內(nèi)占空比丟失的情況，實際上隨著輸入電壓增大諧振回路電流峰值在減 小，開關(guān)管開關(guān)損耗在減小，在一定開關(guān)頻率范圍內(nèi)， LLC 半橋串聯(lián)諧振變換器效率隨著輸入電壓升高而上升，適合用于輸入電壓寬的場合。 （ 3）從輸出整流二極管電壓應(yīng)力情況上看，不對稱半橋變換器整流管耐壓分別為 V0/D 和 V0/(1D)，因此當占空比遠離 時，會導致其中一只二極管耐壓非常高，然而 LLC 諧振變換器整流二極管電壓應(yīng)力為輸出電壓的 2 倍，不受輸入電壓變化影響。由于輸出二極管通態(tài)壓降與其電壓應(yīng)力有關(guān)，所以 LLC 諧振變換器在寬輸入電壓范圍內(nèi)效率較高。 （ 4）從輸出整流二極管反向恢復情況看，不對稱半橋變換器輸出 整流二極管是硬關(guān)斷，反向恢復嚴重，損耗較大；而 LLC 諧振變換器輸出整流二極管 ZCS軟關(guān)斷，損耗較小，提高變換器效率。