基于L6599A的LLC半桥谐振变换器设计

颜川江,祝 新

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

基于L6599A的LLC半桥谐振变换器设计

颜川江,祝 新

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

LLC谐振变换器相对于其他拓扑具有结构简单、效率高、电磁干扰小的优点。介绍了由L6563H及L6599A控制芯片构成的半桥谐振变换器的方案，提出了一款150 W带功率因素校正(PFC)功能的电源设计要求，阐述了LLC谐振变换器的工作原理，推导出LLC谐振变换器的计算公式，得到了谐振电容、串联电感、激磁电感的设计参数，从而计算出L6599A的外围参数，对变压器的设计具有指导价值。

谐振变换器；零电压开关；负载独立工作点

0 引 言

目前全世界都在提倡低炭环保、绿色能源，因此节能技术显得尤为重要，传统的开关电源将电网电源整流成直流，再通过硬开关电源变换成设定的电压，这种方式会造成大量的电网电能损耗，因此带功率因素校正(PFC)的软开关电源将是理想之选。随着开关电源技术的发展，越来越多的软开关技术被研究出来，其中不乏运用广泛的拓扑，比如LLC谐振电路、有源嵌位正激电路等等。LLC谐振电路具有许多优点，如结构简单、功率密度较高、电磁干扰较低等。

目前LLC谐振电路广泛用于航天、电子、通信、家电产品等领域。本文就是针对150 W中小功率的电源应用，目前市场上带PFC功能的AC/DC电源最小功率在300 W左右，价格昂贵。因此，自行开发此电源很有必要。

本文首先介绍了本变换器采用的电路形式，随后重点推导了LLC谐振变换器的参数计算公式，以及在设计中必须保证零电压开关(ZVS)的工作条件。推导完成之后，提出了150 W电源的设计要求，通过计算分析得出了LLC谐振电路的谐振电感、电容等参数，计算出变压器的参数。本电路的谐振电感由变压初级的漏感替代，因此变压器增加了隔离槽，规定了变压器的绕线方式。

1 电路方案选择

电路的前级PFC电路主控芯片采用L6563H，电路的后级采用了L6599A，L6599A是一个用于谐振半桥拓扑电路的双端控制器。它提供50%的占空比，在同一时间高端和低端180°反相。输出电压通过调整工作频率来实现。在高低端开关管的开关之间插入一个固定的死区时间来保证软开关的实现和高频开关状态。L6563H和L6599A协同工作的系统框图如图1所示。

图1 变换器系统框图

前级PFC电路采用BOOST拓扑，将电流设计成临界连续模式(CRM)，在300 W以内，CRM具有比较大的优势。DC/DC部分的电路采用半桥LLC型串联谐振变换器拓扑结构，主电路结构如图2所示。

图2 LLC串联谐振变换器拓扑结构

半桥LLC串联谐振变换器一般包括三部分：方波生成电路、谐振网络和输出电路。

方波由芯片产生，通过互补的开关信号，开关管交替导通。死区的加入防止了高低开关管共导通，同时在死区时间里，高低开关管的结电容充放电，为开关管实现零电压开通创造条件[1]。

半桥LLC谐振变换器电路的2个谐振频率：一个是Lr和Cr的谐振频率fr1，一个是Lm加上Lr与Cr的谐振频率fr2，即：

(1)

(2)

式中：fr1>fr2。

2 计算公式的推导

虽然理论上，LLC半桥谐振电路可以在全负载范围内实现零电压开通，但是还是要考虑谐振电路工作情况，比如谐振频率。当开关频率在fr2附近的时候，此时为容性模式，ZVS不再实现，将导致开关管处于硬开关状态。确保LLC谐振电路工作在期望的区域，才能保证MOSFET实现零电压开通。

为了分析开关管的ZVS条件与谐振电路工作区域的关系，首先要分析谐振电电路输入阻抗，图3为谐振电路的等效单路。

图3 LLC谐振电路等效电路

LLC半桥谐振等效电路输入及输出的传递函数如下：

(3)

由公式(1)可以得到传递函数为:

(4)

(5)

如图4所示，深色区域为电路工作的感性区域，此时f>fr1；浅色区域为电路工作的容性区域，此时f

图中曲线为不同的品质因数Q在同一电感比下的曲线，其中有个所有曲线经过的共同点，这个点叫负载独立工作点，在这个点上，工作频率和增益不因负载的变化而受影响[2]。

图4 LLC谐振电路增益图

LLC谐振电路主要是通过改变输入方波的开关频率来调整输出电压的，当电路工作在感性区域内，通过提高频率来响应输出功率的降低。如果将谐振电路设计在独立工作点附近，那么变换器可以在较窄的工作频率范围内实现较宽范围的负载变化。

因为本设计的前级有PFC电路的稳定输出，因此输入电压的变化对变换器的工作频率范围基本无影响。

图4中最外面的1对曲线为LLC谐振电路无负载时的曲线M∞(fn→∞),此时可以将公式(5)变化为：

(6)

(7)

结合上面的讨论，利用最小电压增益特征函数Mmin>M∞，可以在输入直流电压最高处得到Mmin，这样就有可能使电路工作在无负载情况下。Mmin为：

(8)

此时，可以得到最高开关频率比：

(9)

同理，可以在输入直流电压最小、负载最重时得到最大电压增益特征函数Mmax和最低开关频率比：

(10)

(11)

同时，从公式(7)可以看出，Lr、Lm将决定LLC谐振电路无负载时的电压增益，这是设计当中确保电路能否工作在无负载情况下的关键。

根据上面的结果，实际设置工作频率时还须避开最低工作频率(fmin)接近第二谐振频率(fr2)的情况。

LLC谐振电路工作在感性区，并不是金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)实现零电压开通的充分条件，要实现零电压开通，必须保证MOSFET电流滞后于电压，因此MOSFET的输出电容及寄生电容必须在开通前充分放电。需要被放电的等效电容等效为：

CZVS=2COSS+Cparasitical

(12)

满足MOSFET零电压开通的品质因数可以由下式给出：

(13)

3 电路参数的计算

试验样机的LLC谐振变换器部分的主要参数如下：输入电压Vin为直流360～440 V；额定输入电压Vinnom为400 V；额定输出电压Vout为直流24 V；额定输出功率为150 W；死区时间为300 ns；串联谐振频率为90 kHz；设定的频率变化范围为60 kHz～260 kHz。设计参数如表1所示。

表1 设计参数表

计算等效负载及电感比：

保证了电路在最大输入空载的时候，在最高频率能正常工作。

由以上推导可以计算出：

选择整个工作范围内的最大品质因数：Q≤0.9 min(Qmax1,Qmax2)=0.19。

4 控制芯片外围电路的设计

根据L6599的datasheet设置外部电路,Cf的取值一般为几百pF到几个nF范围内，选择Cf=470 pF[3]。计算Rmin：

此处Rmin取12 kΩ。

计算Rmax：

计算软启动阻容值：

5 变压器参数设计

变换器设计采用ETD34，磁芯材料采用国产的R2KB，初级与次级线圈采用隔离槽的方式调节漏感，将漏感作为LLC谐振变换器的串联电感，这样设计省略了单独的电感，可以将体积设计得更小。初级最少匝数为：

图5 LLC谐振电路主变压器设计图

6 结束语

本文通过对LLC谐振变换器工作原理的分析，推导出LLC谐振变换器的主要设计参数，分析了变换器理想的工作频率范围以及需要避免的工作区域,计算出本设计的150 W电源的设计参数以及芯片的外围参数。最终根据设计需要，确定了变压器的设计参数，为实现串联谐振电感的集成，特意采用带隔离带的骨架，通过原副边的漏感来完成谐振，此方案体积小、结构简单，提高了电源的功率密度。

表2 LLC谐振电路主变压器设计参数

[1] 赵慧超，张青利，刘洪昌，颜湘武.半桥LLC型谐振变换器的高频变压器设计[J].广东电力，2012(11)：87-91.

[2] 董艳.LLC半桥谐振电路的设计与应用[D].上海:上海交通大学，2011.

DesignofLLCHalf-bridgeResonanceConverterBasedonL6599A

YAN Chuan-jiang,ZHU Xin

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

The LLC resonance converter has the advantages of simple structure,high efficiency and small electromagnetic interference compared with other topologies.This paper introduces the scheme of half-bridge resonance converter composed of L6563H and L6599A control chips,proposes the design requirement of a 150 W power supply with power factor correction (PFC),expatiates the working principle of LLC resonance converter,educes the calculation formula of LLC resonance converter,obtains the design parameters of resonance capacitor,series inductance and magnetizing inductance,thereby calculates the external parameters of L6599A,which is of guidance value for the design of transformer.

resonance converter;zero voltage switch;load independent work point

TM46

B

CN32-1413(2017)05-0097-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.022

2017-09-06