《电子技术应用》

基于UCC29950的LLC谐振半桥电源的设计

2015年电子技术应用第7期 作者:汪定华1,2,李斌1,2,王文廷1,2
2017/5/5 15:02:00

  汪定华1,2,李斌1,2,王文廷1,2

  (1.中国电子科技集团第四十一研究所,安徽 蚌埠 233006;2.电子信息测试技术安徽省重点实验室,安徽 蚌埠 233006)

        摘要LLC谐振半桥变换器可以在宽电压范围内全负载条件下实现软开关,在整个工作过程中,实现初级MOSFET的零电压开关(ZVS)和次级整流二极管零电流开关(ZCS)。因此可以达到较高的效率和功率密度,而且在负载和输入电压范围变化较大的情况下,其开关频率变化较小。文中首先分析了LLC谐振半桥变换器的工作原理,并基于TI公司的UCC29950芯片设计了一种300 W电源样机,该芯片集成了PFC和LLC控制器。文章重点介绍了LLC谐振半桥变换器的参数设计,实验结果表明该电源性能优良。

  关键词:LLC;谐振半桥;软开关

  中图分类号:TM919文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.029

  引用格式:汪定华,李斌,王文廷.基于UCC29950的LLC谐振半桥电源的设计[J].微型机与应用,2017,36(7):98-101.

0引言

  随着测量仪器小型化、轻量化的发展,高效率高功率密度的电源变换器已成为电源发展的趋势[1]。

  提高功率密度最有效的方式就是提高开关频率,高频下的磁性元件体积会大幅度减小,但频率的提高会使开关管的开关损耗加大,对变换器的效率造成影响[2]。采用高频工作将大大降低无源器件的尺寸,如变压器和电感器等。但随之而来的开关损耗对高频工作带来了不利影响,严重制约了开关频率的不断提高。为减少开关损耗和整流损耗,提高开关电源变换器的工作效率,因此提出了谐振软开关技术。LLC谐振变换器电路结构简单,能实现初级主开关管的零电压(ZVS)导通和次级整流管的零电流(ZCS)关断,设计相对简单。同时,电流波形呈正弦化,开关损耗和噪声可大幅度减少,有效地减少了电磁辐射的干扰。

1LLC谐振半桥变换器的基本工作原理

  LLC谐振变换器[3]是在传统的串联和并联LC谐振变换器的基础上改良产生的,它既吸收了串联谐振变换器谐振电容所起到的隔直作用和功率谐振回路电流随负载轻重而变化以及轻载时效率较高的优点,同时又兼具了并联谐振变换器可以工作在空载条件下,对滤波电容的电流脉动要求小的特点,是一种比较理想的谐振变换器拓扑[4]。一般来说,LLC谐振半桥变换器包括三部分[5],如图1所示。

Image 001.jpg

  图1LLC谐振半桥变换器主电路(1)方波发生器:每次切换都以50%占空比交替驱动开关Q1和Q2,从而产生方波电压Ud。UO1由交流电压整流并经过功率因数校正获得,从而提供更高且稳定的直流电压,同时也减小了电流应力,降低了谐波污染。

  (2)谐振网络:包含串联谐振电感Lr、并联谐振电感Lm和串联谐振电容Cr。 Lm可以用变压器的励磁电感来实现,当方波电压Ud作用在谐振网络上时,只允许正弦电流通过谐振网络。因此,谐振电流Ir相对方波电压Ud延迟作用于谐振网络,这为开关管的零电压开通创造了条件。谐振网络可以滤掉高次谐波电流,LLC谐振半桥变换器的典型波形如图2所示,当电流流经反向并联二极管时,开关管开启电压为零。

  

Image 002.jpg

  (3)整流滤波网络:通过二极管整流和电容器滤波储能,实现输出直流电压稳定。

  LLC谐振半桥变换器有两个不同的谐振频率,当变压器的励磁电感Lm不参与电路谐振时,变换器的谐振频率定义为fr,如式(1)所示:

  AD)47)58R[ZKC~5Q](Q[HR9.png

  当变压器的励磁电感Lm参与电路谐振时,变换器的谐振频率定义为fm,如式(2)所示:

  4~__[MD(%E90P6CUN8W)H)Q.png

  当工作频率fs<fm时,谐振变换器初级的开关管既不能实现零电压导通,次级整流二极管也不能实现零电流关断,实际设计时要避免电源工作在这个区域;当工作频率fr<fs时,谐振变换器初级的开关管可以实现零电压开通,但是次级的整流二极管电流连续,无法实现零电流关断;当工作频率fm<fs<fr时,谐振变换器在全负载范围内,谐振电路的开关管可以实现零电压导通,二极管可以实现零电流关断。因此在电路设计时,应使开关管的工作频率尽量落在fm<fs<fr区间。

Image 003.jpg

2UCC29950芯片介绍

  UCC29950是美国TI公司设计的一款集成高效功率因数校正(PFC)和半桥谐振逻辑链路控制(LLC)组合控制器的芯片,该芯片典型应用电路如图3所示。100 kHz固定PFC频率,具有抖动特性,凭借专有PFC算法,系统能够获得高效率、更小的转换器尺寸以及高功率因数等诸多优势。固定LLC频率工作范围为70 kHz~350 kHz,集成的LLC控制器可实现高效DC-DC转换器,利用软开关来降低电磁干扰(EMI)噪声。该控制器包含一个启动控制电路,此电路采用耗尽型MOSFET且内置器件电源管理功能,可以最大程度降低外部元件需求,并且有助于降低系统实现成本。为进一步降低待机功耗,该控制器还集成了X-Cap放电电路。UCC29950实现了一整套系统保护功能,其中包括交流线路欠压保护、PFC总线欠压、PFC和LLC过流保护和热关断保护[6]。这款转换器经过了优化,非常便于使用。

  UCC29950芯片各引脚功能介绍如表1所示。

Image 007.jpg

3LLC谐振半桥电源设计

  本文设计的电源输出功率为300 W,输出电压为24 V,设计纹波为200 mV,输出电流为12.5 A。PFC阶段输出电压为390 V,设计纹波为20 V。由于PFC控制比较简单,本文不再赘述,重点介绍LLC谐振网络参数的设计。

  3.1变压器匝比确定

  变压器匝比由下式给出:

  (4W2UW]CAEDVM~{M}Y{EF%N.png

  3.2原边等效阻抗计算

  等效阻抗由下式给出:

  {`8$ZUEGPFGXP[A[KZ06BEH.png

  3.3确定谐振网络的最小和最大增益

  设PFC级输出电压UO1最小保持值为Uo1min=320 V,Uo1最大值即Uo1max=400 V,考虑电源的EMI特性及磁性材料选择,本设计的工作频率fs为110 kHz。

  谐振变换器的最小增益为:

  OKDTKO`OB4CMUF)L_AA9`TO.png

  3.4确定品质因数Q

  为了最大限度地降低开关频率变化,LLC谐振变换器一般运行在谐振频率fr附近。将PFC额定输出电压的增益与谐振频率fr处的增益对应,该增益是Lm与Lr的比值Ln的函数,因此,必须选择合适的Ln值以获得最小增益。然而,一个小的Ln值仍可获得较高的峰值增益,适合于宽的输入电压范围,但太小的Ln值会使得变压器耦合性差,效率低。Ln值较大时,开关管在fr附近的导通损耗和开关损耗低,但峰值增益低可使获得相同增益的频率变化范围宽。一般设置Ln的值位于3~7之间,可使谐振频率fr处的电压增益为1.1~1.2[7]。从LLC谐振峰值增益曲线图4中选择Ln=5时的Q值。

  品质因数Q由下式给出:

  VADXA7LO$6CY86{EO0ZXFP2.pngQ=LrCrRE(7)

  考虑10%余量,峰值增益至少为1.32,从曲线上取得Q值为0.42。

  

Image 004.jpg

  3.5谐振网络参数设计

  谐振电容由下式给出,实际取Cr为36 nF。

  VJ7)FG)XID}1LQQZ_UOSK51.png

  3.6电路设计

  LLC谐振半桥主电路设计如图5所示,图中省略了功率因数校正电路的设计。

Image 005.jpg

4实验波形

  在Uo1=390 V满载时,测试初级开关管Q1的Ugs和Uds的波形、谐振电感电流Ir波形如图6所示,次级整流二极管D3的电压和电流波形如图7所示。从图中可以看出,初级开关管实现了零电压开启,次级整流二极管实现了零电流关断。

 

Image 006.jpg

5结论

  本文介绍了LLC谐振半桥变换器的工作原理,并采用集成PFC和LLC的高性能芯片UCC29950设计了一款高功率因数谐振电源、输出为直流24 V/12.5 A的实验样机。详细介绍了谐振参数的设计。测试结果表明,该变换器结构简单,大大降低了开断损耗,并且能够在全负载范围内实现初级开关管ZVS及次级整流二级管ZCS,电源效率达到88%以上,具有很好的应用前景。

参考文献

  [1] 阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京:科学出版社,2000.

  [2] 戴幸涛.LLC变换器软开关特性及谐振参数优化研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

  [3] YANG B, LEE F C, CHENG R Y. LLC resonant convener for front end DC/DC conversion[C]. Applied Power Electronics Conference and Exposition, USA, Dallas,2002:1108-1112.

  [4] 余昌斌.LLC谐振半桥DC-DC变换器的研究[D].重庆:重庆大学,2007.

  [5] 黄忠威.高功率因数LLC谐振变换器的研究[D].广西:广西大学,2014.

  [6] TI. UCC29950 CCM PFC and LLC Combo Controller[Z].2014-2015.

  [7] 闫毅平.基于LLC谐振半桥变换的通信电源研究[J].微型机与应用,2014,33(9):17-21.



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