L6599控制的半桥LLC谐振变换器设计与实现

盖国权，李东，王坤，贾义

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司巴彦淖尔电业局，内蒙古巴彦淖尔015000；2.内蒙古电力（集团）有限责任公司乌海电业局，内蒙古乌海016000；3.内蒙古电力（集团）有限责任公司锡林郭勒电业局，内蒙古锡林浩特026000）

半桥DC/DC变换器结构简单，控制方便，变压器磁芯双向磁化，电压应力低，非常适合应用于中小功率的场合。硬开关技术使变换器高频时开关损耗很大，严重影响变换器的效率。软开关技术可降低开关损耗和线路的EMI（Electro-Magnetic Interference，电磁干扰），提高效率和功率密度，提高开关频率从而减小变换器的体积。控制型软开关和缓冲型软开关的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）变换器可降低开关损耗，但分别增加了变换器的控制和拓扑结构的复杂程度[1-6]。LLC谐振变换器[7]在主开关管ZVS（Zero Voltage Switch，零电压开关）范围、整流管电压应力、磁集成等方面优于传统PWM变换器，在循环能量和高输入电压时关断电流等方面优于传统谐振变换器，非常适合应用于高效率和高功率密度的场合，成为目前新型谐振变换器的典型代表。

1 工作原理

半桥LLC谐振变换器的主电路如图1所示。2个主开关管S1和S2构成半桥结构，驱动信号是占空比为0.5的互补PFM（Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制）信号，谐振电感Lr、变压器励磁电感Lm和谐振电容Cr组成1个谐振网络，输出侧2个整流二极管VD1和VD2构成零式全波整流电路，输出直接接在滤波电容Co上。由于该电路存在3个储能元件，谐振网络中存在2个谐振频率，一个是变压器励磁电感Lm不参与谐振时的谐振电感Lr与谐振电容Cr的谐振频率，另一个是变压器励磁电感Lm参与谐振时的励磁电感加上谐振电感Lr与谐振电容Cr的谐振频率，即：

当半桥LLC谐振变换器工作频率在f2＜f＜f1范围内时，可实现Power MOSFET的ZVS和整流二极管的ZCS（Zero Current Switch，零电流开关）。

图1 半桥LLC谐振变换器Fig.1 Half bridge LLC resonant converter

半桥LLC谐振变换器采用固定死区的互补调频控制方式，利用变压器的漏感和励磁电感，与谐振电容谐振，实现主开关管的ZVS。LLC谐振变换器的优点是：效率高，全负载范围内可实现主开关管ZVS；主开关管关断电压低，关断损耗非常低；高输入电压下具有高效率，可在正常工作条件下对其进行优化设计；二次侧没有滤波电感，二次侧整流管电压应力低，其上电压可减小到输出电压的1/2，且可实现ZCS；磁性元件能很容易集成到一个磁芯上，EMI小；较小的频率变化范围就可调节较宽的电压增益范围。

2 主要参数的计算和元器件的选用

实验样机的主要参数为：最大输入电压Udc，max=34 V、最小输入电压Udc，min=28 V、额定输入电压Udc，nom=32 V、额定输出电压Uo=0.5 V、额定输出电流Io=20 A、串联谐振频率fr=220 kHz、最大频率fmax=264 kHz。

1）变换器在额定输入电压时工作在串联谐振频率，变压器的变比

式中：VF为整流二极管的正向压降，设计中整流二极管选用40CPQ045，VF=0.43 V。

2）折算到变压器原边的等效电阻

3）利用变换器工作在最大输入电压和空载时的最大归一化频率，计算电感比

式中：Mmin为最小电压增益；fn，max为最大归一化工作频率。4）整个工作范围内的最大品质因数

式中：QZVS，1为最小输入电压和满载情况下，主开关管工作在ZVS区的最大品质因数；QZVS，2为最大输入电压和空载情况下，主开关管工作在ZVS区的最大品质因数。

5）谐振元件参数

6）样机控制芯片选用L6599，浮动的高端部分的电能由自举电路[8-9]提供，自举电路的压降

式中：Qg为外部Power MOSFET的栅电荷，取15 nC；TCharge为升压驱动的导通时间，它等于1/2开关周期减去死区时间TD；R（DS）ON为升压DMOS管的导通电阻，典型值为150 Ω。

自举电容大小

式中：KB为安全系数，取1；VCC为驱动电源电压，取12 V。

根据以上的计算，高频变压器选用型号为EE16的TDK磁芯，原边匝数为34，副变匝数均为2，可满足高频变压器磁芯不饱和的要求。Power MOSFET选用IRF520，输出滤波电容选用47 μF 50 V的电解电容1支。

3 实验结果

根据文章以上的设计，研制了实验样机并进行了调试和完善，样机原物如图2所示。实验样机的两路驱动电压波形如图3所示。由图3可知两路驱动电压不对称互补，上管由于其驱动方式为自举驱动，浮动接地点为半桥中点，驱动电压为4 V，下管驱动电压为芯片电源电压12 V，工作频率在设计的220 kHz左右，验证了控制电路设计的正确性。

图2 实验样机图Fig.2 Picture of experimental prototype

变压器原副边电压波形如图4、图5所示。原副边电压波形为近似正弦波，可以说明变换器工作在谐振状态，主开关管实现ZVS，验证了谐振网络参数计算、谐振电容选用、变压器磁芯气隙长度调节的正确性。变换器输入直流电压为32 V，变压器原边电压幅值约为28 V，副边电压幅值约为2 V，样机变压器变比约为14，与计算所得的变比17较接近，验证了变压器设计的正确性。

滤波前电压波形如图6所示。由于实验样机2个输出整流二极管正向压降相差0.05 V左右，加之设计的直流输出电压较小，故全波整流后波形出现了不对称，但实验结果能验证零式全波整流电路设计的正确性。滤波后输出电压波形如图7所示，输出电压约为0.5 V，验证了文章设计的正确性与可行性。

图3 驱动电压波形Fig.3 Driving voltage waveform

图4 变压器原边电压波形Fig.4 Voltage waveform of transformer primary side

图5 变压器副边电压波形Fig.5 Voltage waveform of transformer secondary side

4 结论

文中首先简要介绍了半桥LLC谐振变换器的工作原理和优点，然后计算了主电路和控制电路的主要参数，并根据参数计算结果选择电力电子元器件，最后制作并完善了实验样机。样机实现了变压器漏感充当谐振电感与变压器励磁电感和谐振电容谐振，主开关管实现ZVS，控制电路实现单管自举驱动，验证了文章的正确性与可行性。文章为后续研究奠定了理论和实验基础。

图6 滤波前输出电压波形Fig.6 Output voltage waveform before filters

图7 滤波后输出电压波形Fig.7 Output voltage waveform after filters

[1] 盖国权，田立欣，徐征宇，等.软开关半桥DC/DC变换器的PWM控制策略分析[J].通信电源技术，2011，28（5）：34-35，39.GAI Guo-quan，TIAN Li-xin，XU Zheng-yu，et al.Analysis of PWMcontrol schemes for soft-switching half-bridge DC/DC converters[J].Telecom Power Technology，2011，28（5）:34-35，39.

[2] Hong Mao，Jaber Abu-Qahouq，Songquan Deng，et al.A new duty-cycle-shifted PWMcontrol scheme for half-bridge DCDC converter to achieve zero-voltage-switching[C].Miami Beach，FL，USA:Proceedings of IEEE-APEC，2003:629-634.

[3] Hong Mao，Jaber Abu-Qahouq，Luo Shiguo，et al.Zerovoltage-swiching half-bridge DC-DC converter with modified PWMcontrol method[C].IEEE Trans on PE，2004，19:947-958.

[4] 谢小高，张军明，蔡拥军，等.半桥变流器的软开关控制策略研究[J].中国电机工程学报，2006，26（3）：48-52.XIE Xiao-gao，ZHANG Jun-ming，CAI Yong-jun，et al.Research on soft-switching control strategies for half-bridge converters[J].Proceedings of CSEE，2006，26（3）:48-52.

[5]秦岭，王亚芳，张航，等.对称控制ZCS-PWM不对称半桥变换器研究[J].电气自动化，2007，29（5）：39-42，47.QIN Ling，WANG Ya-fang，ZHANG Hang，et al.Research on ZCS half-bridge DC/DC converter with symmetrical PWMcontrol method[J].Electric Automation，2007，29（5）:39-42，47.

[6] 张友军，阮新波.2种ZVS方式AHB直流变换器比较[J].电力自动化设备，2009，29（10）：69-73，78.ZHANG You-jun，RUAN Xin-bo.Comparison between two ZVS modes of AHB DC/DC converter[J].Electric Power Automation Equipment，2009，29（10）:69-73，78.

[7] Yang B，Lee F C，Zhang A J，et al.LLC resonant converter for front end DC/DC conversion[C].Dallas，USA:Proceedings of IEEE-APEC，2002:1108-1112.

[8] 林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[9] 盖国权.基于LLC的计算机电源DC/DC变流器研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2011.