LLC谐振变换通信电源限流态问题分析
1984年创刊(双月刊)
ISSN 1009-3664      CN 42-1380/TN

LLC谐振变换通信电源限流态问题分析
作者:包尔恒 日期:2018-08-30 

LLC谐振变换通信电源限流态问题分析
包尔恒
(广东水利电力职业技术学院, 广东 广州 510925)

摘要:标准通信电源模块要求宽的输出电压范围,LLC谐振变换拓扑时为提高效率采用特定谐振参数的设计中,在低压限流态将要求很高的开关频率,同时开关关断电流增大甚至可能在谐振峰值电流处关断而引发开关管温升过高问题。文中分析了开关频率高于谐振频率的工作模态,在实验基础上提出解决方案。
关键词:通信电源;LLC;关断电流;限流态

The Analysis of Communication Power Supply Based on LLC Resonant Converter in Current-limiting State
BAO Er-heng
(Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering, Guangdong,Guangzhou 510925,China)
Abstract:The standard communication power supply requires a wide range of output voltage. When LLC topology with specific resonant parameters for high efficiency is used, in the current-limiting state of lower output voltage, a very high switching frequency will be required, and at the same time, the turn-off current of switches will increase and even switches may be turned off at the resonant peak current to cause too high switches temperature. Analyzes the operating mode with switching frequency higher than resonant frequency and proposes the solution based on experiment.
Keywords:communication power supply; LLC; turn-off current; current-limting state


0 引   言
    
在宽范围输出电压开关电源设计中[1][2],LLC谐振变换器相应需要宽范围变化的开关频率。高变换效率设计中,在特定的谐振电感、励磁电感和谐振电容取值下[3][4],需要的开关频率会更高(频率-增益特性曲线比较平坦),LLC谐振变换器在宽电压范围输出特定状态将工作在开关频率fs高于谐振频率fr的模式,该模式下开关管关断电流不再是励磁电流而是谐振电流,特定工作条件下开关管有可能在谐振电流峰值处关断而引发大的开关损耗和高的开关管温度。本文就该状态下变换器工作模态进行分析,测试了关断电流并提出解决方案。
1  LLC谐振变换器fs>fr工作模态分析

图1 半桥LLC主电路
这里以某30A通信电源模块为例,模块后级直流-直流变换部分采用半桥LLC谐振变换拓扑(图1),其输入为PFC输出电压400VDC,输出电压36~58V可调。本文研究基于NCP1397模拟控制[5],考虑最高开关频率的限制,采用限流态电压低于36V时关机的方案。
工作频率fs高于谐振频率fr时,电路的工作状态分析如下(谐振电流、励磁电流和谐振电容电压正方向假设如图1)。

图2  fs>fr模式工作过程时序
模态1(t0~t1):如图2所示,在t0时刻将Q2关断,谐振电感电流不能突变,负向谐振电流给下管Q2的结电容C2充电、上管Q1的结电容C1放电,充放电的结果:UC2 = Ui、UC1 = 0,上管Q1的体二极管D1导通续流谐振电感电流。D1导通后,Q1的UDS电压为零,在谐振电流过零变正之前,驱动开关Q1,可以实现Q1的零电压开通(ZVS)。当D1导通后,负向谐振电感电流绝对值在输入电压的作用下迅速减小,相应副边整流二极管DR2的电流iDR2迅速减小,在输出反射电压nUo的作用下,励磁电感电流im的绝对值线性增加。
在t1时刻谐振电流ir的绝对值减小到和励磁电流im的绝对值相等,此时副边整流二极管DR2电流过零关断。该模态的电路工作状态如图3所示。

图3 模态1

图4 模态2

图5 模态3
模态2(t1~t2):t1时刻,谐振电感电流等于励磁电感电流。从t1开始,负向谐振电感电流数值上小于负向励磁电流,从图4所示励磁电流和谐振电流方向可知,副边整流二极管DR2关断、DR1导通,励磁电感端电压被输出反射电压箝位为nUo,励磁电流绝对值大于谐振电流绝对值,其差值为折算到原边的负载电流。在t2时刻,谐振电流从之前的负方向谐振到零(此时励磁电流仍为负向)。
模态3(t2~t3):该模态下谐振电流ir过零变正,并以正弦形式流经上管Q1,励磁电感电流im也是线性上升过零并变正,副边整流二极管DR1继续导通,谐振电流和励磁电流之间的差值折算到副边为负载电流。在t3时刻,上管Q1关断,电路工作模式和t0时刻下管Q2关断时同理。
2 分析、实验及解决措施
2.1 分析与实验
通过上述的工作模态分析,fs>fr工作模态下MOSFET关断电流不再是fs≤fr模态时的励磁电流,这时关断电流为谐振电流,随着输出电压的降低开关频率升高,同时,MOSFET关断电流增大甚至有可能在谐振峰值电流处关断,导致开关管关断损耗大大增加进而引发过高的开关管温升。图6为实际测试的某限流点电流波形(Ch1:下管MOSFET驱动波形  Ch2: Lr电流波形),开关频率达到330kHz,MOSFET关断电流接近谐振峰值电流,实测该状态下开关管壳温接近110℃。在实际产品开发过程中,该状态开关管温升往往由于较小的输出功率而不够重视。

图6 限流态开关管电流测试波形
2.2 解决措施
基于上述分析,可采取如图7所示的控制方案:将输出特性分为三段,48~58V输出电压段采用恒功率输出;48~36V段根据实际测试的开关管温度,在输出尽量大的电流下采用一定的电流回缩措施;在36V以下考虑过高开关频率的限制和系统工作实际,采取关机方案。

图7 优化策略简图
3 结   论
LLC谐振变换器在通信电源模块应用中,在限流态的特定区域,变换器处于开关频率高于谐振频率的工作模式,高的开关频率和大的关断电流可能引发开关管温升过高问题。本文在变换器工作模态分析和实验测试基础上,提出了实用化解决方案。

参考文献
[1]  R Beiranvand, B Rashidian, MR Zolghadri, SMH Alavi. A Design Procedure for Optimizing the LLC Resonant Converter as a Wide Output Range Voltage Source[J].IEEE Transactions on Power Eiectronics, 2012, 27(8):3749-3763.
[2] F Musavi, M Craciun,DS Gautam, W Eberie, WG Dunford. An LLC Resonant DC-DCConverter for

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