呂征宇　李佳晨　楊華

摘 要：提出了一種適用于LLC諧振變換器的數(shù)字同步整流驅(qū)動(dòng)方式。該驅(qū)動(dòng)方式基于檢測(cè)同步整流MOS管的漏源極電壓，進(jìn)而判斷體二極管的導(dǎo)通情況，通過(guò)電壓比較器輸出高低電平到數(shù)字處理器，算法程序捕獲體二極管的導(dǎo)通時(shí)間，控制調(diào)節(jié)同步整流管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，從而使同步整流達(dá)到較理想的效果，提高變換器的效率。相比傳統(tǒng)的同步整流驅(qū)動(dòng)方式，所提的驅(qū)動(dòng)方式具有電路結(jié)構(gòu)與控制算法簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)信號(hào)精確、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。為了驗(yàn)證此方式的有效性，以一個(gè)72 W半橋LLC諧振變換器為樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，樣機(jī)效率達(dá)到97.5%。

關(guān)鍵詞：LLC諧振變換器；數(shù)字同步整流；漏源極電壓；體二極管；數(shù)字處理器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）01-0016-07

0 引 言

高效率、高功率密度一直以來(lái)是人們開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的熱點(diǎn)，LLC諧振變換器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，成為一些開(kāi)關(guān)電源拓?fù)涞牟欢x[1]；但在低壓大電流應(yīng)用場(chǎng)合下，LLC諧振變換器等開(kāi)關(guān)電源的二次側(cè)整流二極管會(huì)產(chǎn)生不可忽視的損耗。因此，為了進(jìn)一步提高變換器效率，通常采用以導(dǎo)通電阻很小的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOS管）替代整流二極管的同步整流技術(shù)，降低了變換器二次側(cè)整流管的導(dǎo)通損耗[2]。

LLC諧振變換器的同步整流驅(qū)動(dòng)方式一般分為電壓型驅(qū)動(dòng)和電流型驅(qū)動(dòng)。電壓型驅(qū)動(dòng)通常采用變壓器二次側(cè)繞組或者輔助繞組提出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要增加其他隔離變壓器。但當(dāng)LLC諧振變換器工作在電流斷續(xù)模式，即開(kāi)關(guān)頻率小于諧振頻率的情況時(shí)，二次側(cè)整流管中的電流下降至零以后，通過(guò)變壓器給的驅(qū)動(dòng)信號(hào)仍然存在，所以同步整流管保持導(dǎo)通，此時(shí)變換器的能量在這段時(shí)間內(nèi)會(huì)從二次側(cè)反流至一次側(cè)，引起變換器電壓增益降低，增加了損耗。因此，電壓型驅(qū)動(dòng)一般適用于電流臨界或者連續(xù)模式下。

電流型驅(qū)動(dòng)通常通過(guò)檢測(cè)同步整流管電流來(lái)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路方式眾多[3-7]，但都需要額外的電流檢測(cè)元件，如電流互感器等。在低壓大電流的場(chǎng)合下，檢測(cè)二次側(cè)電流則需要體積較大的電流互感器，導(dǎo)致變壓器阻抗損耗增加，變換器效率降低。針對(duì)上述情況，文獻(xiàn)[8]提出了一種檢測(cè)一次側(cè)電流以提供同步整流管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方法，有效解決了電流互感器體積較大的問(wèn)題；但是變換器又增加了復(fù)雜的輔助電路。

目前市場(chǎng)上也存在許多同步整流控制芯片，如SRK2000[9]，F(xiàn)AN6208[10]等，它們的工作原理類(lèi)似，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，一般是把采樣電壓Vds與芯片內(nèi)部電壓設(shè)定值比較，判斷出同步整流管開(kāi)通和關(guān)斷點(diǎn)，得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)。但是芯片對(duì)同步整流管關(guān)斷的閾值電壓值一般較小，約幾十毫伏，因此對(duì)電路中的寄生參數(shù)十分敏感，同步整流效果不理想。

隨著數(shù)字處理器的發(fā)展，數(shù)字控制的同步整流因其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精確，同時(shí)又不存在上述幾種驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)，漸漸被廣泛使用。文獻(xiàn)[11]提出了一種通過(guò)檢測(cè)同步整流管Vds電壓，判斷體二極管是否導(dǎo)通，進(jìn)而每次按設(shè)定好的固定步長(zhǎng)調(diào)整同步整流管（SR）驅(qū)動(dòng)脈寬，最終確定最理想的驅(qū)動(dòng)脈寬的方法；文獻(xiàn)[12]針對(duì)文獻(xiàn)[11]的方法提出了同步整流管開(kāi)通和關(guān)斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，文章中的控制算法設(shè)置了一個(gè)固定脈寬檢測(cè)窗代替文獻(xiàn)[11]中提出的固定步長(zhǎng)，使得SR關(guān)斷時(shí)更加準(zhǔn)確，改進(jìn)后變換器效率在輕載時(shí)有0.8%的提升，但在重載情況下，幾乎沒(méi)任何提高。這兩篇文獻(xiàn)提出的驅(qū)動(dòng)方式原理接近，暫態(tài)過(guò)程較長(zhǎng)，要經(jīng)過(guò)足夠數(shù)量的開(kāi)關(guān)周期同步整流才能穩(wěn)定工作，電路動(dòng)態(tài)性能較差。

本文提出的驅(qū)動(dòng)方式原理同樣基于檢測(cè)同步整流管Vds電壓，判斷體二極管是否導(dǎo)通的方法，但是只需要經(jīng)過(guò)一個(gè)或者兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期，同步整流就能穩(wěn)定工作。詳細(xì)介紹了提出的同步整流驅(qū)動(dòng)方式的工作原理，分析了LLC諧振變換器暫態(tài)過(guò)程的算法控制，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 工作原理

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中對(duì)于同步整流管驅(qū)動(dòng)開(kāi)通的優(yōu)化，電路重載時(shí)，效率幾乎沒(méi)有提高，同時(shí)開(kāi)通優(yōu)化并不是本文的重點(diǎn)，因此本文提出的數(shù)字控制同步整流驅(qū)動(dòng)在開(kāi)通時(shí)不進(jìn)行任何優(yōu)化處理，采取與原邊逆變MOS管開(kāi)關(guān)頻率相同，并且同時(shí)開(kāi)通的方式，算法簡(jiǎn)單，便于編程。

在同步整流管關(guān)斷時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率fs小于等于諧振頻率fr時(shí)，即電流斷續(xù)模式，同步整流管要比原邊MOS管提前關(guān)斷，否則會(huì)導(dǎo)致同步整流管正向?qū)?，能量?huì)從負(fù)載到電源回流，降低變換器的效率[13]；同時(shí)，同步整流管又不能提前過(guò)多關(guān)斷，影響同步整流的效果，降低了效率。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率fs大于諧振頻率fr時(shí)，即電流連續(xù)模式，同步整流管要比原邊MOS管延遲關(guān)斷，否則快速下降的電流會(huì)通過(guò)體二極管，造成嚴(yán)重的反向恢復(fù)[14]；同時(shí)，同步整流管又不能延遲過(guò)多關(guān)斷，延遲過(guò)多會(huì)引起上下兩個(gè)同步整流管共通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，損害電路[11]。

1.1 能量回流分析

在開(kāi)關(guān)頻率fs小于等于諧振頻率fr的工作狀態(tài)下，即電流斷續(xù)模式，當(dāng)MOS管Q1和SR1同時(shí)導(dǎo)通，Q2和SR2關(guān)斷時(shí)，電流流向如圖1（a）所示，變換器將一次側(cè)的能量通過(guò)變壓器傳遞到二次側(cè)；當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，SR1上的圖1（a）所示電流已經(jīng)為零，此時(shí)若SR1仍然導(dǎo)通，則會(huì)在SR1上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向電流，負(fù)載能量將通過(guò)變壓器和Q1的體二極管回流至電源，如圖1（b）所示。MOS管Q2和SR2工作模態(tài)與Q1和SR1類(lèi)似，若SR2遲于Q2關(guān)斷，同樣會(huì)存在能量回流問(wèn)題。因此為了避免能量回流帶來(lái)效率降低的影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要將同步整流管早于原邊MOS管關(guān)斷。

1.2 提出的算法

根據(jù)上述情況，本文提出了一種采用檢測(cè)Vds電壓來(lái)判斷同步整流管的體二極管是否導(dǎo)通，從而進(jìn)行關(guān)斷優(yōu)化的方法。本文提出的數(shù)字同步整流驅(qū)動(dòng)關(guān)斷優(yōu)化電路原理圖如圖2所示。

當(dāng)SR1不加驅(qū)動(dòng)時(shí)，其體二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降為-0.7 V。通過(guò)分壓電路設(shè)置一個(gè)Vth閾值電壓，其值取決于SR1導(dǎo)通時(shí)的壓降與體二極管導(dǎo)通時(shí)的壓降之間。通過(guò)電壓比較器向DSP發(fā)送高低電平，DSP通過(guò)eCap模塊捕捉高電平持續(xù)的時(shí)間，進(jìn)行設(shè)置好的算法程序處理后，輸出理想的同步整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片最終輸出同步整流驅(qū)動(dòng)電壓。算法流程圖如圖3所示，其中：TSR為同步整流管SR驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間；ΔD為在同步整流管SR關(guān)斷過(guò)晚時(shí)進(jìn)行減法處理，使得下個(gè)周期SR處于關(guān)斷過(guò)早的狀態(tài)，為了保證下個(gè)周期SR處于關(guān)斷過(guò)早的狀態(tài)，ΔD的值應(yīng)取得大些；Ton為通過(guò)DSP的eCap模塊捕獲電壓比較器的高電平持續(xù)時(shí)間，即SR體二極管導(dǎo)通時(shí)間；ΔT為使SR在電流斷續(xù)模式下提前ΔT的時(shí)間關(guān)斷，在電流連續(xù)模式下延遲ΔT的時(shí)間關(guān)斷，根據(jù)上述的分析，ΔT的取值應(yīng)盡可能??；Tth為判斷SR在電流斷續(xù)模式下是否要提前ΔT的時(shí)間關(guān)斷，Tth的取值應(yīng)盡可能小，但要大于ΔT。

根據(jù)圖3算法流程圖可以看出，本文提出的同步整流驅(qū)動(dòng)方式控制算法較為簡(jiǎn)單，其基于DSP捕獲的體二極管導(dǎo)通時(shí)間Ton，進(jìn)行程序處理后，使得同步整流管下個(gè)開(kāi)關(guān)周期的占空比為較理想的同步整流占空比，這種情況只需要一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間同步整流就能理想工作；若DSP沒(méi)有捕獲到體二極管的導(dǎo)通時(shí)間Ton，則下個(gè)開(kāi)關(guān)周期SR的驅(qū)動(dòng)時(shí)間減去ΔD，保證下個(gè)開(kāi)關(guān)周期DSP能捕獲到體二極管導(dǎo)通時(shí)間Ton，這種情況也只需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間同步整流就能理想工作。理想工作波形如圖4、圖5所示，可以看出，同步整流管SR關(guān)斷過(guò)早經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期后，同步整流進(jìn)入有效工作狀態(tài)；SR關(guān)斷過(guò)晚，經(jīng)過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期后，同步整流進(jìn)入有效工作狀態(tài)。因此，本文提出的同步整流驅(qū)動(dòng)方式具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

2 暫態(tài)分析

LLC諧振變換器是通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，當(dāng)負(fù)載或者輸入電壓變化時(shí)，為了穩(wěn)定輸出電壓，LLC諧振變換器的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)發(fā)生改變。由于本文提出的控制算法同步整流管的開(kāi)關(guān)頻率與逆變MOS管的頻率一致，因此LLC諧振變換器的開(kāi)關(guān)頻率變化時(shí)，會(huì)影響同步整流的工作。根據(jù)上述情況，在控制算法上再加一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率是否變化的判斷，如圖6所示。若檢測(cè)到開(kāi)關(guān)周期與上個(gè)開(kāi)關(guān)周期相同，則輸出上個(gè)周期的同步整流管驅(qū)動(dòng)信號(hào)；反之，則重新運(yùn)行圖3算法程序，輸出新的同步整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率降低的暫態(tài)，逆變MOS管的驅(qū)動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)，導(dǎo)致SR管提前關(guān)斷，因此不會(huì)發(fā)生上下兩管共通的情況，如圖7所示。

對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率增大的暫態(tài)，逆變MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)間減小，導(dǎo)致SR管延遲關(guān)斷，情況嚴(yán)重則會(huì)引起上下兩管共通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，損害電路，如圖8所示。

為了避免這種情況發(fā)生，文獻(xiàn)[11]提出的控制算法多加了一個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)間判斷：如果T2>T1+Td，則賦予T2一個(gè)介于T1和（T1+Td）之間的值。但是在進(jìn)行判斷的那個(gè)開(kāi)關(guān)周期，上下兩同步整流管可能已經(jīng)共通一段時(shí)間，直到下個(gè)開(kāi)關(guān)周期才進(jìn)入正常工作。本文提出的控制算法則是一旦檢測(cè)到頻率發(fā)生變化，立刻使同步整流管驅(qū)動(dòng)時(shí)間TSR減去ΔD，保證同步整流管處于提前關(guān)斷的狀態(tài)，因此不會(huì)出現(xiàn)共通的情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的同步整流驅(qū)動(dòng)方式，以一臺(tái)72 W的半橋LLC諧振變換器為樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，輸入電壓為55～65 V，輸出電壓為6 V，輸出電流為12 A，變壓器匝比為5∶1∶1；諧振頻率為100 kHz，諧振腔參數(shù)為：諧振電感Lr=6.5 μH，諧振電容Cr=390 nF，勵(lì)磁電感Lm=30 μH；逆變MOS管Q1、Q2型號(hào)為FQPF70N10，同步整流管SR1、SR2型號(hào)為FDP8442_F085，其導(dǎo)通電阻為3.1 mΩ[15]；控制驅(qū)動(dòng)回路中，數(shù)字處理器DSP采用TMS320F28035，檢測(cè)漏源電壓的電路采用隔離運(yùn)放AMC1301，電壓比較器為L(zhǎng)M324，驅(qū)動(dòng)芯片為FAN73901。

由于本算法開(kāi)始工作時(shí)首先需要判斷同步整流管SR處于關(guān)斷過(guò)早還是過(guò)晚的狀態(tài)，若處于關(guān)斷過(guò)晚的狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致SR共通，情況嚴(yán)重可能會(huì)損壞電路，因此一開(kāi)始算法設(shè)置SR驅(qū)動(dòng)的占空比，使之處于關(guān)斷過(guò)早的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，由于LLC在開(kāi)關(guān)頻率fs大于諧振頻率fr工作狀態(tài)下，即電流連續(xù)模式工作模式，副邊無(wú)法實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，效率較低，一般需要避免電路工作在此模式，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)定穩(wěn)定工作點(diǎn)于開(kāi)關(guān)頻率小于諧振頻率處。

實(shí)驗(yàn)圍繞電路穩(wěn)定工作點(diǎn)附近進(jìn)行。圖9為不經(jīng)過(guò)圖3算法處理的同步整流管SR1實(shí)驗(yàn)波形，圖10為算法處理后的SR1實(shí)驗(yàn)波形，開(kāi)關(guān)頻率均為90 kHz；圖11為開(kāi)關(guān)頻率降低后的SR1實(shí)驗(yàn)波形，開(kāi)關(guān)頻率為85 kHz；圖12為開(kāi)關(guān)頻率增大后的SR1實(shí)驗(yàn)波形，開(kāi)關(guān)頻率為95 kHz。其中，每幅實(shí)驗(yàn)波形圖橫坐標(biāo)為2 μs/格。比較圖9、圖10的Vds波形可以看出，經(jīng)過(guò)算法處理后SR1體二極管導(dǎo)通時(shí)間從1.2 μs減小到0.4 μs，效果顯著，因此提出的驅(qū)動(dòng)方式具有改善同步整流效果的作用；比較圖10、圖11、圖12的Vds可以看出，在開(kāi)關(guān)頻率增大或者減小時(shí)，SR1的體二極管導(dǎo)通時(shí)間基本維持0.4 μs不變，且能穩(wěn)定輸出驅(qū)動(dòng)電壓，因此提出的驅(qū)動(dòng)方式在電路暫態(tài)過(guò)程中能正常穩(wěn)定工作，并且動(dòng)態(tài)性能較好。

4 結(jié) 論

本文提出的數(shù)字同步整流驅(qū)動(dòng)方式基于檢測(cè)同步整流管Vds電壓，通過(guò)判斷體二極管的導(dǎo)通情況進(jìn)行算法程序處理，最終輸出理想的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。提出的方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)信號(hào)精確，并且只需要一或兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期就能得到理想的同步整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，動(dòng)態(tài)性能較好。采用該驅(qū)動(dòng)方法的72 W半橋LLC諧振變換器驗(yàn)證了其有效性，樣機(jī)效率達(dá)到97.5%。

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（編輯：張 楠）