基于LLC谐振变换器的PFM与PWM混合控制策略研究

(池州学院 机电工程学院，安徽 池州 247000)

随着电子技术的快速发展，人们对消费电子的需求越来越高。在电力电子领域，新的软开关技术不断被推出，开关电源的功率器件通过软开关实现开关应力和开关损耗的降低，进而提高功率器件的开关频率，使得开关电源逐渐向小型化、高频化、高功率和高功率密度发展[1-2]。LLC谐振式变换器采用软开关技术，采用PFM变频控制，在宽输入电压范围内实现原边开关管零电压开通、副边整流管零电流关断，具有适应负载能力强、效率高、高功率密度、电磁干扰低等优点，使得LLC谐振变换器在工业电源和消费电子领域都得到了广泛的应用[3-4]。

LLC谐振变换器采用传统的变频控制，通过频率变化来调节输出电压和负载变化。LLC谐振变换器应用在标准通信电源模块等宽输出电压范围及负载变化较大的场合中，随着负载的减轻，通过提高开关频率来获得相同的直流增益，受到谐振元件参数的限制，变换器的工作频率不可能无限制地升高[5]。开关频率的升高，不仅增加了开关损耗，而且导致副边整流二极管无法实现零点流关断，不仅增加开关损耗,而且削弱频率对输出电压的调节，容易出现电压不稳定、纹波及电磁干扰等问题[6-7]。LLC谐振变换器轻载或空载时，电路品质因数降低，随着开关频率的增加，变换器的效率降低，与全载高效率相比，很难做到轻载时的效率提高，一般采用关机、间歇工作的处理方式，但是关机、间歇工作对LLC谐振变换器的性能有较大影响[8]。本文在轻载工作状态时引入PWM方式对LLC谐振变换器进行控制，设计一种PFM与PWM相结合的控制策略，采用PFM和PWM混合控制驱动开关管，PFM与PWM工作方式根据工作状态相互转换，使LLC谐振变换器在全负载范围内实现软开关，提高LLC谐振变换器效率，尤其是空载效率。

1 LLC谐振变换器

LLC谐振变换器的谐振电路主要由谐振电容Cr、谐振电感Lr、激磁电感Lm三个谐振元件组成，谐振电路包含有两个谐振频率点，由串联谐振电感Lr与谐振电容Cr组成的串联谐振频率fS和由谐振电感Lr、激磁电感Lm、谐振电容Cr构成的谐振频率fm。工作频率在fm

对于LLC谐振变换器来说，在电感系数λ和变压器匝比n固定不变，改变品质因数Q，得到如图2所示的归一化频率曲线，其中纵坐标为直流增益Mdc，横坐标为归一化频率fn。在串联谐振频率fS(fn=1)处，存在一个负载独立的工作点，直流增益Mdc恒等于1。对应于不同的品质因数Q的每条增益曲线，随着频率的增加先增大后减小，而且都会存在一个拐点，拐点随着品质因数Q的增大而减小，把相应的拐点用黑色曲线连接起来得到拐点频率曲线，拐点频率曲线将LLC谐振变换器工作区域划分成ZVS区域和ZCS区域，设计时使变换器工作在ZVS区域[10]。但是，当LLC谐振变换器工作在轻载状态时，开关频率逐渐变大，原边开关管和副边整流管不能很好地实现软开关状态，变换器的效率降低。

图1 LLC谐振变换器主要工作波形

图2归一化频率曲线

2 变模式控制策略

为了克服LLC谐振变换器轻载工作状态在PFM控制下难以实现软开关的缺陷问题，本文提供一种PFM与PWM控制相结合的变模式控制策略，变换器在重载和满载工作状态下采用PFM控制模式，变换器在轻载及空载工作状态下采用PWM控制模式，PFM控制模式与PWM控制模式根据变换器工作状态自由切换，使LLC谐振变换器的工作性能得到改进，实现LLC谐振变换器的全负载范围内的软开关，提高LLC谐振变换器效率，尤其是空载效率。图3为LLC谐振变换器变模式控制策略原理框图。

结合图4变模式控制电路图，PFM与PWM混合控制通过运算放大器构成的减法器、三极管、UCC3895组成定频变频混合控制电路来实现。电压信号Va与电压基准Vref1比较，误差经电压调节器后产生控制电平Vb，控制信号Vb一路与UCC3895的误差放大器非反相输入端EAP引脚相连，信号Vb与UCC3895芯片内部的锯齿波交截产生PWM驱动信号；另一路经过减法器得到电压信号Vc，电压信号Vc经过三极管与UCC3895 RT脚相连，PFM控制的压控振荡单元(VCO)由三极管、减法器、UCC3895组成，用于控制开关频率。PWM和PFM混合控制中两种控制模式是独立的，两种控制模式可以自由切换。UCC3895内部锯齿波为3.15 V ，当Vb高于3.15 V时，三极管导通，变换器满占空比工作，进入变频控制模式；当Vb低于3.15 V 时，三极管截止，变换器进入PWM控制模式。

图3变模式控制策略原理框图

图4变模式控制电路图

具体工作时，当UCC3895内部锯齿波电压值上升到等于电压信号Vb，变频时钟脉冲发生器产生一个窄脉冲，同时锯齿波发生器电压信号会从零开始上升并与电压信号Vb比较，输出控制信号，如此反复形成时钟脉冲信号序列，图5为PWM控制与PFM控制切换过渡波形图，图5中t之前为PWM控制，t之后为PFM控制。

图5 变模式控制切换过渡波形图

3 实验验证

为了验证本文提出的LLC谐振变换器PFM与PWM混合控制策略，制作设计了一台 350 W的实验样机。LLC谐振变换器主电路所设计的关键参数和选用的主要元器件如表1所示。

表1 LLC谐振变换器元件参数

图6给出了在额定输入电压270 V下不同负载时的主要波形。图6(a1)(a2)分别给出了负载为半载和满载时，开关管驱动uGS1、uGS2、谐振电感电流iLr波形；图6(b1)(b2)分别给出了负载为半载和满载时，开关管驱动uGS1、uGS2、副边整流管iD波形。通过实验波形可以看出采用PFM与PWM混合控制策略控制LLC谐振开关变换器在额定输入电压下，不同负载条件下，可以实现原边侧开关管的零电压ZVS开通和副边侧整流管的零电流ZCS关断，从而实现LLC谐振变换器的全负载范围内的软开关，提高LLC谐振变换器效率。

(uGS1、uGS2：10V/div；iLr：1A/div)

(uGS1、uGS2：10V/div；iLr：2A/div)

(uGS1、uGS2：10V/div；iD：5A/div)

(uGS1、uGS2：10V/div；iD：5A/div)

4 结语

针对LLC谐振变换器采用PFM变频控制，在轻载状态时，随着开关频率逐渐变大，原边开关管和副边整流管不能很好地实现软开关状态，变换器的效率降低的缺陷问题，设计了PFM与PWM控制相结合的控制策略。实验证明，本文的控制策略应用于LLC谐振变换器，使LLC谐振变换器在全负载范围内实现软开关，提高LLC谐振变换器效率。