中心議題：
- 三元件串聯(lián)LLC諧振變流器的工作原理
- 同步整流驅(qū)動(dòng)技術(shù)
- 改進(jìn)的電流型同步整流方案
解決方案：
- 一次側(cè)電流采樣方案
- 新型的電流型同步整流驅(qū)動(dòng)方案
本文在歸納總結(jié)LLC諧振變流器現(xiàn)有同步整流技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較，并提出了新型的一次側(cè)電流采樣方案以及一種應(yīng)用于倍壓整流結(jié)構(gòu)的新型電流型同步整流技術(shù)。除此之外，本文還從電力電子系統(tǒng)集成的角度提出了新型的單封裝結(jié)構(gòu)同步整流技術(shù)解決方案。
0 引言
隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品需求的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)其電源系統(tǒng)的便攜性提出了更高的要求。因此，高效率和高功率密度成為電力電子產(chǎn)品的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。三元件串聯(lián)LLC諧振變流器在變換效率和功率密度方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。
目前，大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)都對(duì)其相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，但是當(dāng)應(yīng)用于低壓大電流輸出的場(chǎng)合時(shí)二次側(cè)整流電路的損耗占據(jù)了總損耗較大的比重。為了進(jìn)一步提高地變換效率和功率密度，同步整流技術(shù)在二次側(cè)得到廣泛的應(yīng)用。
1 三元件串聯(lián)LLC諧振變流器的工作原理
傳統(tǒng)LLC諧振變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)的LLC諧振變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電感L r、諧振電容C r、激磁電感L m組成。圖2為其主要的理想工作波形，根據(jù)工作頻率的不同，我們可以把它分為三個(gè)模式，即斷續(xù)模式（fw<fs<fr）、臨界模式（fs=fr）和連續(xù)模式（fs>fr），其中fw為第一諧振頻率，fr為第二諧振頻率，fs為開關(guān)管工作頻率。
圖2 LLC諧振變流器的主要工作波形
由圖2可知，當(dāng)變流器工作于斷續(xù)模式時(shí)，一次側(cè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、變壓器繞組上的電壓與整流管中的電流不是處于同相位。采用一次側(cè)控制芯片信號(hào)外驅(qū)動(dòng)或電壓型繞組自驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方案都不能及時(shí)有效地關(guān)斷同步管，從而變流器將無(wú)法正常地工作于斷續(xù)模式。電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以滿足各種工作模式的需要，但是驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)相對(duì)較為復(fù)雜。現(xiàn)有智能驅(qū)動(dòng)控制芯片的驅(qū)動(dòng)策略是通過(guò)檢測(cè)整流管漏源兩極的壓降以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，理論上這也能夠?qū)崿F(xiàn)變流器斷續(xù)模式的正常工作。但是由于同步管的導(dǎo)通壓降很小，芯片本身也具有較多限制，檢測(cè)電路容易受到干擾，其應(yīng)用范圍仍然相當(dāng)有限。因此對(duì)LLC諧振變流器的同步整流方案的研究仍是當(dāng)前的熱點(diǎn)及難點(diǎn)問(wèn)題。
2 同步整流驅(qū)動(dòng)技術(shù)
2.1 外驅(qū)動(dòng)
外驅(qū)動(dòng)一般是指同步整流管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)獨(dú)立于主電路，由外部電路產(chǎn)生。傳統(tǒng)的外驅(qū)動(dòng)方式是根據(jù)一次側(cè)控制芯片的信號(hào)，通過(guò)隔離變壓器等給二次側(cè)的同步整流管（SR）提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；另一種則通過(guò)比較電路，檢測(cè)SR的漏源極電壓（U DS），產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。目前市場(chǎng)上的智能同步整流驅(qū)動(dòng)芯片就是采用這種控制策略。
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2.1.1 傳統(tǒng)型外驅(qū)動(dòng)方案
傳統(tǒng)型外驅(qū)動(dòng)方案如圖3所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于同步整流的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可靠；由于采用了隔離變壓器作為信號(hào)隔離電路，一次側(cè)MOS管VT1的驅(qū)動(dòng)可以省略自舉電路。它的缺點(diǎn)在于變流器只能工作于臨界或者連續(xù)模式，限制了其電壓增益范圍。
圖3 傳統(tǒng)型外驅(qū)動(dòng)
2.1.2 檢測(cè)SR UDS電壓型外驅(qū)動(dòng)方案
市場(chǎng)上現(xiàn)有的絕大部分智能同步整流驅(qū)動(dòng)芯片都采用了檢測(cè)U DS電壓信號(hào)的方法。如圖4所示。該驅(qū)動(dòng)方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，變流器可以工作于不同的三種模式。但是同步整流驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)外圍電路的參數(shù)設(shè)計(jì)非常敏感，如SR的導(dǎo)通電阻、檢測(cè)電路中的引線電感及同步管的工作溫度等，因此容易受到外界的干擾，而且它也受到芯片本身的條件制約（芯片的工作頻率，關(guān)斷延時(shí)等）。因此它對(duì)PCB的布板設(shè)計(jì)和變流器的工作頻率等都有比較高的限制要求。圖5是一種采用分離元件組成的檢測(cè)U DS電壓型驅(qū)動(dòng)方案。其電路比較簡(jiǎn)單，但同樣也比較容易受到干擾，而且二極管VD1與三極管VTd1的選擇比較困難。
圖4 同步整流驅(qū)動(dòng)芯片方案
圖5 分離元件組成的U DS檢測(cè)電路
2.2 電壓型自驅(qū)動(dòng)
電壓型自驅(qū)動(dòng)方案如圖6所示。Na1、Na2為變壓器輔助繞組，直接為相應(yīng)的同步整流管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此驅(qū)動(dòng)方案要求變流器工作于臨界模式或者連續(xù)模式，而且要求變壓器的輔助繞組與相應(yīng)的S R二次側(cè)繞組之間有比較好的耦合，減小驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延時(shí)。但另一方面，此方案又要求變壓器的兩個(gè)二次側(cè)繞組之間具有一定的漏感，以幫助兩個(gè)回路之間實(shí)現(xiàn)換流。總之，該方案的變壓器漏感設(shè)計(jì)和整機(jī)變換效率的優(yōu)化很難折中考慮，功率變壓器的設(shè)計(jì)困難，不利于實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用。
圖6 電壓型自驅(qū)動(dòng)方案
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2.3 電流型驅(qū)動(dòng)
圖7為幾種典型的電流型驅(qū)動(dòng)方案。傳統(tǒng)的電流型驅(qū)動(dòng)方案如圖7（a）所示，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)電流互感器（CT）和一個(gè)電壓箝位電路。電路通過(guò)電流互感器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采樣，并給同步管提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，多余的驅(qū)動(dòng)能量被箝位電路消耗。該驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，但是有較大的驅(qū)動(dòng)損耗，限制了變流器效率的提高。因此有文獻(xiàn)提出了具有剩余驅(qū)動(dòng)能量回饋功能的電流型驅(qū)動(dòng)方案，如圖7（b）所示。該驅(qū)動(dòng)電路中多余的驅(qū)動(dòng)能量能通過(guò)輔助繞組回饋到主電路，從而可以較大的減少驅(qū)動(dòng)電路的損耗，并簡(jiǎn)化電流互感器的設(shè)計(jì)，但是多繞組的電流互感器大大增加了生產(chǎn)成本。另有文獻(xiàn)提出了一種更為簡(jiǎn)單的電流型驅(qū)動(dòng)方案，如圖7（c）所示。該方案的電流互感器只需一個(gè)副邊繞組，同時(shí)也具有剩余驅(qū)動(dòng)能量回饋的功能，更加有利于實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。通過(guò)三極管VTd1,它可以準(zhǔn)確地檢測(cè)同步整流管應(yīng)該關(guān)斷的時(shí)刻，從而保證了同步整流電路的可靠性。
圖7 幾種典型的電流驅(qū)動(dòng)方案
2.4 驅(qū)動(dòng)方式比較
我們將上述驅(qū)動(dòng)方法做了一個(gè)比價(jià)和總結(jié)，如表1所示。從表中可以看出，采用檢測(cè)U DS電壓型外驅(qū)動(dòng)和電流型驅(qū)動(dòng)，變流器可工作于全頻率范圍，符合寬輸入LLC諧振變流器工作于全頻率范圍的要求。
表1 不同的同步整流管驅(qū)動(dòng)方案比較
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3 改進(jìn)的電流型同步整流方案
3.1 一次側(cè)電流采樣方案
為了簡(jiǎn)化電流型同步整流方案和二次側(cè)布板走線，進(jìn)一步提高二次側(cè)效率和功率密度，這里分別先看一次側(cè)電流采樣方案，如圖8和圖9所示。
圖8 采用具有相位補(bǔ)償功能的一次側(cè)電流采樣方案
圖9 采用輔助變壓器的一次側(cè)電流采樣方案
由于LLC諧振變流器的勵(lì)磁電流較大，導(dǎo)致一次側(cè)電流與二次側(cè)電流之間存在相位差，因此，可以采用補(bǔ)償電感L comp對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償，而有文獻(xiàn)則采用輔助變壓器對(duì)一次側(cè)電流進(jìn)行采樣。這兩種驅(qū)動(dòng)方案都可以解決相位差問(wèn)題，而且沒有增加大型的磁性元件，有利于提高效率和功率密度。
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3.2 一種新型的電流型同步整流驅(qū)動(dòng)方案
本文針對(duì)倍壓整流結(jié)構(gòu)提出的一種新型的電流型同步整流方案，如圖10所示。通過(guò)一個(gè)雙繞組電流互感器，既解決了二次側(cè)上管驅(qū)動(dòng)電路采樣的能量回饋問(wèn)題，又減少了電流互感器的數(shù)量，有利于降低生產(chǎn)成本，提高變換效率及功率密度。圖11為斷續(xù)模式和臨界模式下的主要實(shí)驗(yàn)波形。
圖10 一種新型的電流型同步整流驅(qū)動(dòng)方案
圖11 主要實(shí)驗(yàn)波形
4 新型的單封裝同步整流解決方案
為進(jìn)一步地提高功率密度，本文從電力電子系統(tǒng)集成的角度提出了一種新型的能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體功率器件高度集成的單封裝同步整流結(jié)構(gòu)技術(shù)。為了能夠與現(xiàn)有肖特基整流二極管的布板結(jié)構(gòu)兼容，本文提出（且不限于）以下幾種管腳封裝結(jié)構(gòu)，如表2所示。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文在對(duì)現(xiàn)有LLC諧振變流器同步整流方案進(jìn)行深入分析和比較的基礎(chǔ)上，總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并引入了新型的一次側(cè)電流采樣方案，提高變流器的變換效率和功率密度。本文針對(duì)LLC諧振變流器二次側(cè)倍壓整流結(jié)構(gòu)提出了一種新型的電流型同步整流方案，實(shí)現(xiàn)較好的變換效率及功率密度表現(xiàn)。為了能夠進(jìn)一步地提高功率密度，本文從電力電子系統(tǒng)集成的角度，提出了具有極高集成度的單封裝同步整流結(jié)構(gòu)技術(shù)。為在布線上實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前肖特基二極管整流的兼容，本文提出了幾種新型的單封裝同步整流解決方案。
