基于MC33067的LLC諧振全橋變換器的應用設計

摘要：LLC變換器以其卓越的性能迅速成為DC／DC變換器的首選拓撲，而目前該拓撲大多應用在小功率半橋變換器，而在大功率全橋變換器中的應用還較少。在此提出了一種基于高性能諧振控制器MC33067的LLC諧振全橋變換器設計方案，該拓撲采用了固定死區的互補調頻控制方式，巧妙利用了變壓器的勵磁電感和外置諧振電感與諧振電容發生諧振，實現了初級零電壓(ZVS)開通以及次級零電流(ZCS)關斷，并給出了輸出直流電壓48 V，滿載功率2 kW的試驗結果。試驗結果表明，LLC諧振全橋變換器具有高頻、高效率等優點，符合電源高功率密度、高效的發展要求。
關鍵詞：變換器；軟開關；諧振

1 引言
隨著電力電子技術的高速發展，對開關電源提出了更加高頻化、高效率、高功率密度以及低噪聲等要求。目前比較成熟的軟開關技術，如移相全橋也很難做到真正理想狀態的軟開關(包含主開關管和次級整流二極管)，并且隨著開關頻率的升高，其損耗也不斷增加，因此尋求一種更加高效、高開關頻率以及高功率密度的拓撲成為當前研究的重點。LLC諧振全橋變換器作為全橋拓撲中性能較為突出的一種，具備以下優點：初級MOSFETZVS開通，次級整流二極管ZCS關斷；電路結構簡單，轉換效率高；初、次級的電壓應力較低；容易實現高頻化，故容易實現高功率密度，并且當其工作在所設定的諧振頻率時，初、次級電流都接近正弦，高次諧波小，有利于EMI設計。
目前，LLC諧振全橋變換器的設計方法較復雜，大多都是在LLC諧振半橋變換器設計方法的基礎上進行試探，通過不斷調試和修正獲得合適的參數。在此提出了一種基于高性能諧振控制器MC33067的LLC諧振全橋變換器設計方法，在設計合理的前提下，變換器可以輕易實現初級MOSFET ZVS開通，次級整流二極管ZCS關斷，體現了變換器的高頻高效化。

2 LLC諧振全橋變換器拓撲及工作機理
全橋變換器由于具有較高功率密度而廣泛應用于中、大功率場合，其主電路拓撲如圖1所示。該電路主要包括初級4個功率MOSFET、諧振電感Lr、諧振電容Cr、勵磁電感Lm，次級則由整流二極管VD5和VD6以及輸出濾波電容Co組成。

可見，拓撲中次級沒有濾波電感，整流二極管無需緩沖吸收網絡，與傳統的全橋拓撲相比，其元件大為減少，且變換器的磁性元件能很容易集成到一個磁芯，主變壓器的漏感和Lm也能被利用。
LLC諧振全橋變換器包括如圖2所示的3個工作區域：其中區域1，2的主開關管工作在ZVS狀態，而區域3的主開關管工作在ZCS狀態。對于選用MOSFET作為主開關管的高頻LLC變換器而言，工作在ZVS條件下其開關損耗最小，工作狀態較佳，故其所需的工作區域為增益曲線的右側(其中負斜率表示初級MOSFET工作在ZVS模式)。當LLC變換器工作在如圖2所示的ωs=ωr狀態下時，其增益由變壓器的匝比決定，從效率和EMI的角度而言，在這個工作點狀態下由于正弦初級電流、MOSFET和次級整流二極管都得到最優化利用，故為最佳工作點，但是這只能在特定的工作電壓以及負載條件下得到。