LLC串连谐振半桥变换器在LCD TV电源中的应用
此文是09年评工程师职称写的论文，也是自己实际开发的项目，论文是自己花了大量时间写的。
LLC串连谐振半桥变换器在LCD TV电源中的应用
摘要 介绍了LLC串连谐振半桥变换器的工作原理，以及在LCD TV电源中的应用实例，总结了LLC串联谐振半桥变换器电路的设计要点及优缺点。
关键词 LLC串连谐振半桥变换器；ZVS；效率；EMI；交调
1．引言
液晶电视(LCD TV)由于其高分辨率的画面和薄型化的结构受到广大用户的欢迎，并且其价格不断下降，使它正逐步取代传统的显象管(CRT)电视。但由于LCD TV薄型化的需要，对其内置电源提出了比较高的要求：效率高、体积小、干扰小，特别是对于大尺寸(42寸及以上)的LCD TV，功率大，用传统的反激或正激电路要同时满足这些要求是比较吃力的。LLC串连谐振半桥变换器因其开关管工作在零电压开关(ZVS)模式下，电路效率高，电磁干扰(EMI)小，因此特别适合应用在LCDTV电源中。另外，LCD TV电源一般为多路输出，而LLC电路的多路输出负载交叉调整(交调)特性要明显优于正激、反激等电路，因此优异的交调特性也是在LCD TV电源中应用LLC电路的实用优点之一。
2．系统结构
LCD TV电源的系统框图如图1所示，主要由EMI滤波模块、整流模块、PFC模块、DC/DC(隔离)变换模块和待机电源(隔离)模块组成，本文所要介绍的LLC串连谐振半桥变换器就是应用在DC/DC(隔离)变换模块电路部分的。
图1 LCD TV电源系统框图
LLC电路在此实现的功能是将PFC电路输出的400V直流电压转换为24V、12V、5.5V直流电压，并且满足输入、输出间安全隔离的要求，此电路的电路结构图如图2所示（为了方便电路原理的分析，此电路结构图为单路电压输出结构）
图2 LC电路结构图
图中Vin为输入电压，Vout为输出电压，Q1、Q2为半桥电路的开关管，Lr、Lm和Cr组成LLC谐振电路，变压器次级经全波整流、滤波后获得直流输出电压。
3．工作原理
3.1 工作波形分析
LLC电路的工作电压、电流波形如图3所示。图中ILr为ILm与INp之和。
t0～t1：Q2关断，变压器初级只有励磁电流ILm流过，谐振电感Lr的续流电流(等于ILm)给上桥臂Q1 DS端的寄生电容放电，给下桥臂Q2DS端的寄生电容充电，VDS2电压上升，次级二极管D1、D2均截止。
t1～t2：VDS2电压上升到Vin+0.7V(假设Q1体二极管的导通压降为0.7V)，Q1的体内二极管导通。t0～t2为Q1、Q2的死区时间。
t2～t3：Q1零电压导通，流经Q1的电流由体二极管切换到MOS沟道。Q1导通后，谐振电感Lr的电流反向减小后又正向增大，二极管D1导通，且由于Lr、Cr的谐振，Lr和D1电流波形呈正弦波特征。
t3～t4：随着Lr、Cr的谐振，变压器Ns1两端电压减小到不足以使二极管D1导通，D1电流减小到0，变压器初级只有励磁电流ILm流过。
t4～t5：Q1关断，谐振电感Lr的续流电流(等于ILm)给上桥臂Q1 DS端寄生电容充电，给下桥臂Q2 DS端寄生电容放电，VDS2电压下降。
t5～t6：VDS2电压下降到-0.7V(假设Q2体二极管的导通压降为0.7V)， Q2的体内二极管导通。t4～t6为Q1、Q2的死区时间。
t6～t7：Q2零电压导通，流经Q1的电流由体二极管切换到MOS沟道。Q2导通后，谐振电感Lr的电流正向减小后又反向增大，二极管D2导通，且由于Lr、Cr的谐振，Lr和D2电流波形呈正弦波特征。
t7～t8：随着Lr、Cr的谐振，变压器Ns2两端电压减小到不足以使二极管D2导通，D2电流减小到0，变压器初级只有励磁电流ILm流过。
图4 LLC谐振回路等效电路
图5 LLC电压增益曲线(此图摘自参考文献1)
图5中横坐标为归一化频率f/fr1，纵坐标为电压增益，其中
由图5可知，LLC谐振变换器存在fr1和fr2两个谐振频率，而且当工作频率f大于谐振频率fr1时，不管负载大小，变换器都工作在ZVS状态下；当f介于fr1与fr2之间时，得视负载大小来判断变换器是工作在ZVS还是ZCS状态下；当f小于fr2时，变换器都工作在ZCS状态下(图5中所标的fr2为Q=0.39811时的fr2，其他Q值对应的fr2点位置均不相同)。在实际应用中一般都是让变换器工作在ZVS区域，以获得高效率，第2.1节所介绍的工作波形就是工作在fr1与fr2之间的ZVS区域的工作波形。当变换器工作频率f大于fr1时，ILr和ILm波形如图6所示。在此种状态下，没有了图4所示的t3～t4时间段，而且次级二极管电流在t5时刻才减小到0，图7是次级二极管D1、D2电流的叠加图
图6 f>fr1时ILr及ILm波形(此图摘自参考文献1)
图7 f>fr1时ID1与ID2叠加波形(此图摘自参考文献1)
在实际应用中一般使变换器在重负载状态下工作在频率介于fr1和fr2之间的ZVS区域或fr2附近的区域，而在轻负载状态下工作在频率大于fr1的区域，另外，还需要避免变换器工作在ZCS区域，因为在ZVS区域，增益随频率的增大而减小，变换器工作在负反馈环路系统中，而在ZCS区域，增益随频率的增大而增大，变换器工作在正反馈环路系统中，系统将无法稳定工作。
4．设计实例
根据以上原理，设计了一个LLC变换器，输入、输出参数为：输入：400VDC；输出：1、24VDC/8A；2、12VDC/3A；3、5.5VDC/4A。变压器采用EC39L双槽变压器：初级电感量Lp=800uH，漏感Lr=160uH，初级匝数Np=40，次级匝数分别为4(24VDC)、2(12VDC)、1(5.5VDC)。
Cr=33nF，fr1＝69KHz，fr2＝31KHz，满载时工作频率约为55 KHz。
变换器在满载状态下所测得的数据见下表
|
输入 |
输出1 |
输出2 |
输出3 |
|
|
电压(V) |
396 |
24.1 |
11.96 |
5.45 |
|
电流(A) |
0.676 |
7.998 |
2.998 |
3.997 |
因此，效率η＝(24.1x7.998+11.96x2.998+5.45x3.997)/(396x0.676)=93.5%
交调特性：由于变换器是单独采样输出1的电压作为反馈信号的，因此测试变换器的交调特性就采用输出1(主路)与输出2(辅路)和输出3(辅路)的不同负载来进行对比，数据见下表
|
输出1(V/A) |
输出2(V/A) |
输出3(V/A) |
|
|
主路满载，辅路空载 |
24.1/8 |
13.07/0 |
6.38/0 |
|
主路空载，辅路满载 |
24.1/0 |
11.09/3 |
5.10/4 |
|
主路90％负载，辅路10％负载 |
24.1/7.2 |
12.54/0.3 |
6.06/0.4 |
|
主路10％负载，辅路90％负载 |
24.1/0.8 |
11.53/2.7 |
5.34/3.6 |
|
各路均满载 |
24.1/8 |
11.96/3 |
5.45/4 |
|
各路均50％负载 |
24.1/4 |
12.00/1.5 |
5.67/2 |
|
各路均空载 |
24.1/0 |
12.18/0 |
5.93/0 |
由以上两表的数据可看出，LLC变换器有着较高的转换效率及较好的负载交叉调整率
5．结语
详细分析了LLC串连谐振变换器的工作原理，并设计出实际应用电路，从测试所得的数据可明显体现LLC串连谐振变换器的高效率、优越的负载交调特性，因而将LLC串连谐振变换器应用在要求高效率、低电磁干扰、多路输出的LCD TV电源中是非常适合的，具有广泛的应用前景。
参考文献
[1] Bo Yang。LLCResonant Converter
[2] 王聪。软开关功率变换器及其应用。北京：科学出版社，2000。
[3] 张占松，蔡宣三。开关电源的原理与设计。北京：电子工业出版社，2005。
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