劉國宏

(中國石化勝利油田分公司東辛采油廠， 山東 東營 257000)

傳統(tǒng)的變換器開關(guān)采用的是硬開關(guān)技術(shù)，已經(jīng)不能滿足開關(guān)電源高效率、高功率密度、低成本的發(fā)展趨勢。諧振電源由于容易實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)過程，在中大功率場合和對功率密度要求較高的場合得到廣泛應(yīng)用[1]。LLC諧振變換器由于電路性能優(yōu)良，能夠在全頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)過程，是近年來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的重點(diǎn)熱門結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[2]提出了一種電感復(fù)用式諧振變換器，利用主電路的電感構(gòu)成輔助反激電路，對諧振電路工作原理進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了寬輸入范圍的調(diào)節(jié)，但是電路增加反激輔助環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]提出了兩級諧振型DC-DC變換器，整個(gè)電路經(jīng)過兩級變換后不利于效率的提升，實(shí)用性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[4]提出了一種電流饋電型LLC諧振變換器，開關(guān)管能夠在全頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)過程，但是存在輸出電壓不可調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]提出一種雙向諧振DC-DC變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，且有利于高頻化和高功率密度化，具有借鑒意義。文獻(xiàn)[6-10]提出了一種高功率場合的正反激式定頻PWM單向諧振變換器，實(shí)現(xiàn)了諧振正激與反激變換器的結(jié)合，具有實(shí)用意義，但是變壓器不能實(shí)現(xiàn)復(fù)用，需要額外設(shè)計(jì)相應(yīng)的磁復(fù)位電路。

本文在以上正反激諧振變換器的基礎(chǔ)上，提出一種非對稱半橋式LLC正反激諧振變換器，使變換器在諧振過程中以正激和反激串聯(lián)交替工作的形式輸出電能，變壓器具有復(fù)用功能，無需額外磁復(fù)位電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)過程，提高變換器的整體效率。對變換器的工作原理和諧振過程進(jìn)行了分析，研究了增益特性和軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件。樣機(jī)測試驗(yàn)證該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，并且變壓器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)磁復(fù)位功能，電路結(jié)構(gòu)簡單，變換器效率得到了有效提升。

1 電路原理分析

設(shè)計(jì)的非對稱半橋式LLC正反激諧振變換器如圖1所示，Vin為輸入側(cè)直流電壓；VO為輸出負(fù)載側(cè)直流電壓；變壓器原匝數(shù)為N1；副邊匝數(shù)為N2和Q3；Q1和Q2為原邊電路中的開關(guān)MOS管；CO1和CO2為開關(guān)MOS管的結(jié)電容；Cr和Lr為諧振腔的諧振電容和諧振電感；Lm為原邊勵(lì)磁電感。副邊為正激和反激兩路串聯(lián)結(jié)構(gòu)，D1-D3為副邊整流和續(xù)流二極管，變換器中變壓器具有復(fù)用功能，電流能夠雙向流動(dòng)，無需額外的磁復(fù)位電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)。

圖1 諧振DC-DC變換器

變換器的工作過程如圖2所示，工作波形如圖3所示，假設(shè)每個(gè)原邊開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)占空比均為D=50%，VGS1、VGS2為Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)信號；VDS1、VDS2為Q1、Q2的漏源極電壓；iLr為諧振電感電流；iD1為反激結(jié)構(gòu)整流二極管電流；iL1為正激電路輸出電感電流。假設(shè)各個(gè)開關(guān)器件均為理想器件，電感和電容值足夠大，變換器工作過程分為5個(gè)階段。

工作模態(tài)1(t0-t1)：由于體二極管在前一階段續(xù)流，t0時(shí)刻開關(guān)管Q1實(shí)現(xiàn)ZVS，電容Cr和電感Lr發(fā)生諧振，副邊反激電路中二極管D1導(dǎo)通向輸出傳遞能量，正激變換器中二極管D3續(xù)流，變壓器勵(lì)磁電感Lm兩端電壓被鉗位至VO1，勵(lì)磁電流im線性增大，勵(lì)磁電流為

(a) 工作模態(tài)1

(b) 工作模態(tài)2

(c) 工作模態(tài)3

(d) 工作模態(tài)4

(e) 工作模態(tài)5圖2 工作模態(tài)分析

(1)

工作模態(tài)2(t1-t2)：t1時(shí)刻開關(guān)管Q1、Q2均關(guān)斷進(jìn)入死區(qū)時(shí)間，CO1充電而CO2放電，為Q2的零電壓開通創(chuàng)造條件。正激變換器中二極管D3繼續(xù)續(xù)流，電感L1上電流iL1線性減小。

(2)

工作模態(tài)3(t2-t3)：t2時(shí)刻開關(guān)管Q2實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，諧振電容Cr往輸出側(cè)傳遞能量，變壓器勵(lì)磁電流反向流動(dòng)去磁復(fù)位，實(shí)現(xiàn)了變壓器的復(fù)用，副邊正激電路開始整流輸出能量，電感L1上電流iL1線性增大，則有：

(3)

工作模態(tài)4(t3-t4)：諧振電流給CO1放電，而CO2充電，電容Cr和電感Lr發(fā)生諧振使諧振電流開始朝正向增大，諧振腔向電源回饋能量。副邊正激側(cè)續(xù)流二極管D3導(dǎo)通續(xù)流，電感L1上電流iL1線性減小。

工作模態(tài)5(t4-t5)：t2時(shí)刻諧振電流過零點(diǎn)，使變壓器原邊電壓上正下負(fù)，副邊反激結(jié)構(gòu)中，二極管D1導(dǎo)通向輸出傳遞能量，CO1放電完畢使Q1體二極管導(dǎo)通，為Q1實(shí)現(xiàn)ZVS創(chuàng)造條件。

圖3 工作波形圖

2 等效電路分析

圖4 諧振網(wǎng)絡(luò)等效電路圖

圖5 簡化等效電路圖

在t0-t1諧振工作期間，根據(jù)圖5的簡化電路分析可得：

(4)

(5)

根據(jù)式(4)和式(5)，可得電容諧振電壓和諧振電流：

(6)

(7)

在t2-t3諧振結(jié)束正激變換器工作期間，諧振電容Cr向副邊傳遞能量，副邊正激變換器電感電流將折射到原邊，在此時(shí)間段內(nèi)有:

(8)

式中：vCr(t2)為t2時(shí)刻vCr的初始值；I為電感L1電流的等效平均值。

3 特性分析

開關(guān)管Q1和Q2采用交替導(dǎo)通的控制方式，控制占空比相同均為D，且開關(guān)頻率恒定。在電路工作過程中，假設(shè)正激變換器的工作周期占空比為Dw，對變換器增益特性進(jìn)行分析。

對反激端輸出電壓有：

(9)

在正激變換器輸端電感足夠大的情況下，電感電流連續(xù)時(shí)，有:

(10)

整體輸出電壓為

VO=VO1+VO2

(11)

根據(jù)勵(lì)磁電感的伏秒平衡可得

(Vin-VCr)D=VCrDw

(12)

根據(jù)式(12)可得：

(13)

聯(lián)立以上各式可得：

(14)

可得輸入到輸出的增益特性：

(15)

在Q2截止、正激變換器中，二極管D3續(xù)流期間存在著原邊諧振電流ir反向流動(dòng)的過程，經(jīng)過Q1體二極管續(xù)流，在Q1驅(qū)動(dòng)信號到來前實(shí)現(xiàn)體二極管的開通，使Q1容易實(shí)現(xiàn)ZVS過程。為了便于Q2實(shí)現(xiàn)ZVS過程，結(jié)電容CO2應(yīng)該存在放電過程且電量需要放至零，因此有：

(16)

因此為了便于Q2實(shí)現(xiàn)ZVS過程，諧振電感Lr值不應(yīng)該設(shè)計(jì)得太小。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證變壓器能實(shí)現(xiàn)復(fù)用作用，輸出電壓能夠穩(wěn)定，開關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS過程，搭建試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行測試，電路參數(shù)設(shè)置如表1所示。電路中開關(guān)管型號選擇為IPB009N03L型MOS管，測試示波器型號為Tektronix泰克TBS2000B系列示波器。

表1 電路參數(shù)

對樣機(jī)進(jìn)行測試，開關(guān)管Q1測試波形如圖6所示，開關(guān)管Q2測試波形如圖7所示，開關(guān)管在開通過程中，2個(gè)開關(guān)MOS管漏源極電壓均降為零后驅(qū)動(dòng)信號才到，均實(shí)現(xiàn)了ZVS過程。對比圖6和圖7可知，開關(guān)管Q1實(shí)現(xiàn)ZVS過程更容易，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)過程的時(shí)間更充足，比Q2更容易實(shí)現(xiàn)ZVS過程，與理論分析一致。諧振電流iLr也出現(xiàn)了反向回流的情況，變壓器成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)磁復(fù)位，起到了復(fù)用作用，符合電路設(shè)計(jì)的原理。

圖6 開關(guān)管Q1實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)波形

圖7 開關(guān)管Q2實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)波形

為了驗(yàn)證效率的提升度，對設(shè)計(jì)的非對稱半橋式LLC正反激諧振變換器進(jìn)行效率曲線的繪制，同時(shí)與傳統(tǒng)非對稱半橋式LLC諧振變換器效率進(jìn)行對比分析，采用的非對稱半橋式LLC諧振變換器電路結(jié)構(gòu)如圖8所示，效率對比曲線如圖9所示。

圖8 非對稱半橋式LLC諧振變換器

圖9 效率對比曲線

由圖9可知，提出的非對稱半橋LLC式正反激諧振變換器效率在全功率范圍內(nèi)高于傳統(tǒng)的非對稱半橋式LLC諧振變換器，最大效率能夠接近94%。提出的新型變換器能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器的自動(dòng)磁復(fù)位，同時(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS過程，減小了工作過程中的磁復(fù)位損耗和開關(guān)管損耗，有效提升變換器效率，可具有實(shí)際應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文提出的一種自動(dòng)磁復(fù)位半橋式正反激諧振變換器，變換器以非對稱半橋式LLC正反激諧振變換器為主體，變壓器具有自動(dòng)磁復(fù)位的復(fù)用功能，輸出側(cè)以正反激的形式串聯(lián)，開關(guān)管能夠有效實(shí)現(xiàn)ZVS過程。通過樣機(jī)測試驗(yàn)證了提出的非對稱半橋式LLC正反激諧振變換器能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器的自動(dòng)磁復(fù)位，開關(guān)管均能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)過程，效率對比傳統(tǒng)的LLC諧振變換器得到有效提高。整個(gè)變換器電路結(jié)構(gòu)簡單，效率高，可實(shí)際應(yīng)用。