一种自动磁复位半桥式正反激谐振变换器的研究

刘国宏

(中国石化胜利油田分公司东辛采油厂， 山东 东营 257000)

传统的变换器开关采用的是硬开关技术，已经不能满足开关电源高效率、高功率密度、低成本的发展趋势。谐振电源由于容易实现开关管的软开关过程，在中大功率场合和对功率密度要求较高的场合得到广泛应用[1]。LLC谐振变换器由于电路性能优良，能够在全频率范围内实现开关管的软开关过程，是近年来实现软开关技术的重点热门结构。

文献[2]提出了一种电感复用式谐振变换器，利用主电路的电感构成辅助反激电路，对谐振电路工作原理进行分析，实现了宽输入范围的调节，但是电路增加反激辅助环节，结构复杂。文献[3]提出了两级谐振型DC-DC变换器，整个电路经过两级变换后不利于效率的提升，实用性不强。文献[4]提出了一种电流馈电型LLC谐振变换器，开关管能够在全频率范围内实现软开关过程，但是存在输出电压不可调节的缺点。文献[5]提出一种双向谐振DC-DC变换器，能够实现能量的双向流动，且有利于高频化和高功率密度化，具有借鉴意义。文献[6-10]提出了一种高功率场合的正反激式定频PWM单向谐振变换器，实现了谐振正激与反激变换器的结合，具有实用意义，但是变压器不能实现复用，需要额外设计相应的磁复位电路。

本文在以上正反激谐振变换器的基础上，提出一种非对称半桥式LLC正反激谐振变换器，使变换器在谐振过程中以正激和反激串联交替工作的形式输出电能，变压器具有复用功能，无需额外磁复位电路，简化了电路结构，有利于实现开关管的软开关过程，提高变换器的整体效率。对变换器的工作原理和谐振过程进行了分析，研究了增益特性和软开关实现的条件。样机测试验证该变换器能够实现开关管的零电压开通，并且变压器实现了自动磁复位功能，电路结构简单，变换器效率得到了有效提升。

1 电路原理分析

设计的非对称半桥式LLC正反激谐振变换器如图1所示，Vin为输入侧直流电压；VO为输出负载侧直流电压；变压器原匝数为N1；副边匝数为N2和Q3；Q1和Q2为原边电路中的开关MOS管；CO1和CO2为开关MOS管的结电容；Cr和Lr为谐振腔的谐振电容和谐振电感；Lm为原边励磁电感。副边为正激和反激两路串联结构，D1-D3为副边整流和续流二极管，变换器中变压器具有复用功能，电流能够双向流动，无需额外的磁复位电路，简化了电路结构。

图1 谐振DC-DC变换器

变换器的工作过程如图2所示，工作波形如图3所示，假设每个原边开关管的驱动占空比均为D=50%，VGS1、VGS2为Q1、Q2的驱动信号；VDS1、VDS2为Q1、Q2的漏源极电压；iLr为谐振电感电流；iD1为反激结构整流二极管电流；iL1为正激电路输出电感电流。假设各个开关器件均为理想器件，电感和电容值足够大，变换器工作过程分为5个阶段。

工作模态1(t0-t1)：由于体二极管在前一阶段续流，t0时刻开关管Q1实现ZVS，电容Cr和电感Lr发生谐振，副边反激电路中二极管D1导通向输出传递能量，正激变换器中二极管D3续流，变压器励磁电感Lm两端电压被钳位至VO1，励磁电流im线性增大，励磁电流为

(a) 工作模态1

(b) 工作模态2

(c) 工作模态3

(d) 工作模态4

(e) 工作模态5图2 工作模态分析

(1)

工作模态2(t1-t2)：t1时刻开关管Q1、Q2均关断进入死区时间，CO1充电而CO2放电，为Q2的零电压开通创造条件。正激变换器中二极管D3继续续流，电感L1上电流iL1线性减小。

(2)

工作模态3(t2-t3)：t2时刻开关管Q2实现了零电压开通，谐振电容Cr往输出侧传递能量，变压器励磁电流反向流动去磁复位，实现了变压器的复用，副边正激电路开始整流输出能量，电感L1上电流iL1线性增大，则有：

(3)

工作模态4(t3-t4)：谐振电流给CO1放电，而CO2充电，电容Cr和电感Lr发生谐振使谐振电流开始朝正向增大，谐振腔向电源回馈能量。副边正激侧续流二极管D3导通续流，电感L1上电流iL1线性减小。

工作模态5(t4-t5)：t2时刻谐振电流过零点，使变压器原边电压上正下负，副边反激结构中，二极管D1导通向输出传递能量，CO1放电完毕使Q1体二极管导通，为Q1实现ZVS创造条件。

图3 工作波形图

2 等效电路分析

图4 谐振网络等效电路图

图5 简化等效电路图

在t0-t1谐振工作期间，根据图5的简化电路分析可得：

(4)

(5)

根据式(4)和式(5)，可得电容谐振电压和谐振电流：

(6)

(7)

在t2-t3谐振结束正激变换器工作期间，谐振电容Cr向副边传递能量，副边正激变换器电感电流将折射到原边，在此时间段内有:

(8)

式中：vCr(t2)为t2时刻vCr的初始值；I为电感L1电流的等效平均值。

3 特性分析

开关管Q1和Q2采用交替导通的控制方式，控制占空比相同均为D，且开关频率恒定。在电路工作过程中，假设正激变换器的工作周期占空比为Dw，对变换器增益特性进行分析。

对反激端输出电压有：

(9)

在正激变换器输端电感足够大的情况下，电感电流连续时，有:

(10)

整体输出电压为

VO=VO1+VO2

(11)

根据励磁电感的伏秒平衡可得

(Vin-VCr)D=VCrDw

(12)

根据式(12)可得：

(13)

联立以上各式可得：

(14)

可得输入到输出的增益特性：

(15)

在Q2截止、正激变换器中，二极管D3续流期间存在着原边谐振电流ir反向流动的过程，经过Q1体二极管续流，在Q1驱动信号到来前实现体二极管的开通，使Q1容易实现ZVS过程。为了便于Q2实现ZVS过程，结电容CO2应该存在放电过程且电量需要放至零，因此有：

(16)

因此为了便于Q2实现ZVS过程，谐振电感Lr值不应该设计得太小。

4 试验验证

为了验证变压器能实现复用作用，输出电压能够稳定，开关管能够实现ZVS过程，搭建试验样机进行测试，电路参数设置如表1所示。电路中开关管型号选择为IPB009N03L型MOS管，测试示波器型号为Tektronix泰克TBS2000B系列示波器。

表1 电路参数

对样机进行测试，开关管Q1测试波形如图6所示，开关管Q2测试波形如图7所示，开关管在开通过程中，2个开关MOS管漏源极电压均降为零后驱动信号才到，均实现了ZVS过程。对比图6和图7可知，开关管Q1实现ZVS过程更容易，实现软开关过程的时间更充足，比Q2更容易实现ZVS过程，与理论分析一致。谐振电流iLr也出现了反向回流的情况，变压器成功实现了自动磁复位，起到了复用作用，符合电路设计的原理。

图6 开关管Q1实现软开关波形

图7 开关管Q2实现软开关波形

为了验证效率的提升度，对设计的非对称半桥式LLC正反激谐振变换器进行效率曲线的绘制，同时与传统非对称半桥式LLC谐振变换器效率进行对比分析，采用的非对称半桥式LLC谐振变换器电路结构如图8所示，效率对比曲线如图9所示。

图8 非对称半桥式LLC谐振变换器

图9 效率对比曲线

由图9可知，提出的非对称半桥LLC式正反激谐振变换器效率在全功率范围内高于传统的非对称半桥式LLC谐振变换器，最大效率能够接近94%。提出的新型变换器能够实现变压器的自动磁复位，同时实现开关管的ZVS过程，减小了工作过程中的磁复位损耗和开关管损耗，有效提升变换器效率，可具有实际应用。

5 结语

本文提出的一种自动磁复位半桥式正反激谐振变换器，变换器以非对称半桥式LLC正反激谐振变换器为主体，变压器具有自动磁复位的复用功能，输出侧以正反激的形式串联，开关管能够有效实现ZVS过程。通过样机测试验证了提出的非对称半桥式LLC正反激谐振变换器能够实现变压器的自动磁复位，开关管均能实现软开关过程，效率对比传统的LLC谐振变换器得到有效提高。整个变换器电路结构简单，效率高，可实际应用。