CN109525119A - 一种采用同步整流控制方法的llc谐振变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用同步整流控制方法的LLC谐振变换器，包括变压器，变压器一侧为原边回路，包括依次连接的原边桥臂电路和原边谐振腔；变压器另一侧为负载回路，包括负载桥臂电路；原边桥臂电路由多个MOS管组成，负载桥臂电路有多个同步整流管组成，MOS管和同步整流管本体内均寄生二极管用作整流二极管进行整流；原边桥臂电路和负载桥臂电路均连接驱动电路和通讯电路，驱动电路和通讯电路连接MCU。本发明采用MCU控制器输出驱动信号对同步整流管进行输出控制，适用电压范围广，控制也相对灵活，还能够进行相应地处理和运算。

Description

一种采用同步整流控制方法的LLC谐振变换器

技术领域

本发明涉及开关电源领域，具体涉及一种采用同步整流控制方法的LLC谐振变换器。

背景技术

设计合理的LLC变换器基本上可以实现全范围负载下原边MOSFET始终工作在ZVS开通状态，提高了系统效率。同时，副边同步整流技术的引入，亦大大减少了系统次级整流侧的通态损耗，使得LLC同步整流拓扑在中大功率领域的应用越来越广泛。

目前LLC同步整流控制大多由硬件电路完成，一般有以下两种：

1.电压检测控制方式：即通过辅助电路或者专用控制芯片检测同步整流管漏源极之间的电压来控制驱动信号。当漏极与源极电压达到某一阈值时，判断为同步整流MO SFET的体二极管导通，亦负载电流建立，继而开通MOSFET以降低损耗；否则关断MOSFET。但一方面，由于受PCB走线及器件寄生参数的影响，在MOSFET开通或关断的时刻，其漏源极电压会发生振铃，过于灵敏的检测阈值将会导致MOSFET在此时反复开通关断，严重时带来可靠性问题；但，反之则会导致MOSFET开通时间过短，大大降低了同步整流的优势；另一方面，由于同步整流MOSFET封装的影响，其漏源极的引线电感的存在，将导致漏源极的电压相位超前于漏源极电流(即负载电流)，使得同步整流MOSFET过早关断，无法实现最优的同步整流控制。

2.电流检测控制方式：即通过检测负载电流来提供驱动信号的方法。通常有两种方案，一种检测副边电流，需要两路电流检测电路；另一种检测原边电流，只需要一路电流检测电路，但原边边电流既包含负载电流又包含变压器励磁电流，需要采取方法将励磁电流独立出来。基于电流检测的控制方式能够准确控制同步整流管的开通与关断，实现同步整流驱动与负载电流基本同步，但都需要增加额外的电流检测器件，增加了系统的复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用同步整流控制方法的LLC谐振变换器，结构简单，实现同步整流驱动与负载电流基本同步。

本发明的一个实施例提供了一种采用同步整流控制方法的LLC谐振变换器，包括变压器，变压器一侧为原边回路，包括依次连接的原边桥臂电路和原边谐振腔；变压器另一侧为负载回路，包括负载桥臂电路；原边桥臂电路由多个MOS管组成，负载桥臂电路有多个同步整流管组成，MOS管和同步整流管本体内均寄生二极管用作整流二极管进行整流；原边桥臂电路和负载桥臂电路均连接驱动电路和通讯电路，驱动电路和通讯电路连接MCU；当电流从原边回路向负载回路流动时，通讯电路发送电流信号和原边电压信号给MCU，MCU接收电流信号和电压信号，并计算和处理，发出固定频率、占空比和有一定的死区的控制信号，控制信号通过驱动电路转化为驱动信号，驱动MOS管和同步整流管组成进行互补开通关断；当电流从负载回路向原边回路流动时，通讯电路发送电流信号和负载电压信号给MCU，MCU接收电流信号和电压信号，并计算和处理，发出固定频率、占空比和有一定的死区的控制信号，控制信号通过驱动电路转化为驱动信号，驱动MOS管和同步整流管组成进行互补开通关断。

与现有技术相比，本发明提供的采用同步整流控制方法的LLC谐振变换器具有如下优点：

1.利用MOS管的开关特性和反向二极管特性，减少了反向并联二极管，电路复杂性降低；

2.本发明根据输出电压和电流自适应判断输出整流模式。可以有体二极管整流和MOS管同步整流模式。这样电路的对电压输入范围，对电压输出范围，对负载大小的兼容性非常强。可以保证任何条件下保持高效的运行模式。

3.本发明工作在软开关状态下，器件应力小，电磁兼容性好，损耗小，效率高。

4.采用MCU控制器输出驱动信号对同步整流管进行输出控制，适用电压范围广，控制也相对灵活，还能够进行相应地处理和运算。

附图说明

图1所示为本发明的对称型双向LLC电路的一个实施例的原理示意图。

图2所示为本发明的全桥型LLC电路的一个实施例的原理示意图。

图3所示为本发明的半桥型LLC电路的一个实施例的原理示意图。

图4所示为本发明的同步整流管开通时间的一个实施例的示意图。

图5所示为本发明的同步整流关断时间的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，在本发明的一个实施例中，采用同步整流控制方法的LLC谐振变换器，包括变压器T1，变压器T1一侧为原边回路，包括依次连接的原边桥臂电路和原边谐振腔；变压器另一侧为负载回路，包括负载桥臂电路；原边桥臂电路由多个MOS管组成，负载桥臂电路有多个同步整流管组成，MOS管和同步整流管本体内均寄生二极管用作整流二极管进行整流；原边桥臂电路和负载桥臂电路均连接驱动电路和通讯电路，驱动电路和通讯电路连接MCU；当电流从原边回路向负载回路流动时，通讯电路发送电流信号和原边电压信号给MCU，MCU接收电流信号和电压信号，并计算和处理，发出固定频率、占空比和有一定的死区的控制信号，控制信号通过驱动电路转化为驱动信号，驱动MOS管和同步整流管组成进行互补开通关断；当电流从负载回路向原边回路流动时，通讯电路发送电流信号和负载电压信号给MCU，MCU接收电流信号和电压信号，并计算和处理，发出固定频率、占空比和有一定的死区的控制信号，控制信号通过驱动电路转化为驱动信号，驱动MOS管和同步整流管组成进行互补开通关断。

负载桥臂电路连接负载谐振腔，负载谐振腔包括串联连接的负载谐振电感L2和负载谐振电容C3；原边桥臂电路由第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4以全桥的方式连接而成，原边谐振腔包括串联连接的原边谐振电感L1和原边谐振电容C1；负载桥臂电路由第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8以全桥的方式连接而成；当电流从原边回路向负载回路流动时，第一开关管Q1和第四开关管Q4以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率开关，第二开关管Q2和第三开关管Q3以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率与第一开关管Q1和第四开关管Q4相反的动作开关；电流流通的路径为：第一开关管Q1→原边谐振电感L1→变压器T1→原边谐振电容C1→第四开关管Q4，第二开关管Q2→原边谐振电感L1→变压器T1→原边谐振电容C1→第三开关管Q3；副边电流流通的路径为：第六开关管Q6→负载谐振电感L2→负载谐振电容C3→第七开关管Q7，第五开关管Q5→负载谐振电容C3→负载谐振电感L2→第八开关管Q8。

在一个周期的上半个周期，Q5和Q8开接着Q1和Q4开，然后Q1和Q4关，接着Q5和Q8关；在一个周期的下半个周期，Q6和Q7开，接着Q2和Q3开，然后Q3和Q2关，接着Q6和Q7关。

请参阅图2，在本发明的一个实施例中，原边桥臂电路由第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4以全桥的方式连接而成，原边谐振腔包括串联连接的原边谐振电感L1和原边谐振电容C1；负载桥臂电路由第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8以全桥的方式连接而成；当电流从原边回路向负载回路流动时，第一开关管Q1和第四开关管Q4以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率开关，第二开关管Q2和第三开关管Q3以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率与第一开关管Q1和第四开关管Q4相反的动作开关；电流流通的路径为：第一开关管Q1→原边谐振电感L1→变压器T1→原边谐振电容C1→第四开关管Q4，第二开关管Q2→原边谐振电感L1→变压器T1→原边谐振电容C1→第三开关管Q3；副边电流流通的路径为：第六开关管Q6→第七开关管Q7，第五开关管Q5→第八开关管Q8。

在一个周期的上半个周期，Q5和Q8开接着Q1和Q4开，然后Q1和Q4关，接着Q5和Q8关；在一个周期的下半个周期，Q6和Q7开，接着Q2和Q3开，然后Q3和Q2关，接着Q6和Q7关。

请参阅图3，在本发明的一个实施例中，原边桥臂电路由第一开关管S1、第二开关管S2串联连接，第一开关管S1和第二开关管S2均并联二极管和电容；原边谐振腔包括串联连接的原边谐振电感Lr和原边谐振电容Cr；负载桥臂电路由第五开关管SR1和第六开关管SR2串联连接而成，第五开关管SR1和第六开关管SR2均并联二极管和电容，用于同步整流；当电流从原边回路向负载回路流动时，第一开关管S1以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率开关，第二开关管S2以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率与第一开关管相反的动作开关；电流流通的路径为：第一开关管S1→原边谐振电容Cr→原边谐振电感Lr→变压器Lm，第二开关管S2→原边谐振电容Cr→原边谐振电感Lr→变压器Lm。

在一个周期的上半个周期，首先SR1开，然后S1开，接着S1关；在一个周期的下半个周期，首先SR1关，然后SR2开，然后S2开；接着S2关，然后SR2关。

在本发明的一个实施例中，当驱动信号的频率小于原边谐振腔的谐振频率时，驱动信号控制同步整流管先于MOS管关断。

在本发明的一个实施例中，当驱动信号的频率大于或等于原边谐振腔的谐振频率时，驱动信号控制同步整流管和MOS管同步开通关断。

对于副边的同步整流管，MCU根据输出电压和负载计算出控制信号通过驱动电路驱动Q6L2T1C3Q7和Q5L2T1C3Q8或者SR1SR2以一定的频率和占空比而且留有一定的死区时间进行互补开通关断。

MCU通过接受通讯控制信号以及检测输出负载的大小计算并发出驱动信号控制MOS管和同步整流管的开通和关断来完成能量的正向传递。当MCU通过接受到能量反向传递通讯信号时，通过检测输入和输出条件，计算之后发出对应的MOS管和同步整流控制信号来驱动开关，从而实现能量的反向流动。

由于输出侧同步整流管在合适的时间进行开关动作就变得十分重要，否则原边的谐振开关管的反向续流，ZVS都会受到影响。会造成原边MOS的VDS瞬间出现振荡和尖峰，给整个系统带来干扰。甚至芯片电源的供电也会耦合到干扰。

目前的同步整流驱动控制芯片检测输入端不超过200V，加上MOS管输出电压在关断时候产生的尖峰比较大，所以其输出电压能适用的范围较小。采用MCU控制器输出驱动信号对同步整流管进行输出控制，适用电压范围广，控制也相对灵活，还能够进行相应地处理和运算。通过MCU对采集的电压电流信号进行运算，来判断同步整流管合适的驱动时间。MCU主要的计算方法有：查表法，通过实验记录同步整流管在不同工作状态下的合适时间。在根据实验结果，通过曲线拟合的方式，让MCU根据工作状态自行判断同步整流管的动作时间。

同步整流电路的同步整流驱动信号采用MCU控制驱动信号的方式。控制思想：在工作频率大于谐振频率时，副边同步整流驱动信号基本和主动管驱动信号保持一致，而在工作频率小于谐振频率时，存在同步整流管中电流为零的死区时段，副边同步整流驱动信号不能简单的和主功率驱动信号保持一致，否则会导致电流倒灌现象，导致变压器短路等严重问题。

具体整流管的开通和关断控制如下：

1.对于输出整流管关断：

理论上同步整流管应当与主动管同时开通，但实际上由于同步管两侧其实也有结电容存在，上下管开始换流时，将要开通的开关管结电容上存在很大电荷，直接开通将导致这些电荷直接在开关管上耗散掉，这种影响在高电压低电流的高压侧尤为明显。因此，应让同步整流管延迟一段时间开通，保证有充足的时间让同步整流管结电容完成充放电，如图4所示。对放电模式，经过实验发现高压同步管延迟于主动管200ns开通效果最好。对于充电模式，由于低压侧电压低、电流大，因此充放电十分迅速，且如果开通过晚反向导通产生的损耗也很大，因此低压整流管与主动管同时开关即可。

2.对于输出整流管开通：

如图5所示，当开关频率小于谐振频率时，同步整流管应当先于MOS管关断，当开关频率大于等于谐振频率时，同步整流管与主动管同时关断。通过实验得到不同频率下同步整流管的合适关断时间，并通过曲线拟合得到同步整流管在频率连续变化过程中的关断时刻存储在控制器中，让控制器根据当前工作频率选择同步管关断时间。

虽然以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但并非用上述实施例限定本发明。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明技术方案所给出的技术特征和范围的情况下，对技术特征所作的增加、以本领域一些同样内容的替换，均应属本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种采用同步整流控制方法的LLC谐振变换器，其特征在于：包括变压器，所述变压器一侧为原边回路，包括依次连接的原边桥臂电路和原边谐振腔；所述变压器另一侧为负载回路，包括负载桥臂电路；所述原边桥臂电路由多个MOS管组成，所述负载桥臂电路有多个同步整流管组成，所述MOS管和同步整流管本体内均寄生二极管用作整流二极管进行整流；所述原边桥臂电路和负载桥臂电路均连接驱动电路和通讯电路，所述驱动电路和通讯电路连接MCU；当电流从原边回路向负载回路流动时，通讯电路发送电流信号和原边电压信号给MCU，MCU接收所述电流信号和电压信号，并计算和处理，发出固定频率、占空比和有一定的死区的控制信号，所述控制信号通过所述驱动电路转化为驱动信号，驱动MOS管和同步整流管组成进行互补开通关断；当电流从负载回路向原边回路流动时，通讯电路发送电流信号和负载电压信号给MCU，MCU接收所述电流信号和电压信号，并计算和处理，发出固定频率、占空比和有一定的死区的控制信号，所述控制信号通过所述驱动电路转化为驱动信号，驱动MOS管和同步整流管组成进行互补开通关断。

2.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器，其特征在于：当所述驱动信号的频率小于所述原边谐振腔的谐振频率时，所述驱动信号控制所述同步整流管先于所述MOS管关断。

3.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器，其特征在于：当所述驱动信号的频率大于或等于所述原边谐振腔的谐振频率时，所述驱动信号控制所述同步整流管和MOS管同步开通关断。

4.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器，其特征在于：所述原边桥臂电路由第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管以全桥的方式连接而成，所述原边谐振腔包括串联连接的原边谐振电感和原边谐振电容；所述负载桥臂电路由第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管以全桥的方式连接而成；当电流从原边回路向负载回路流动时，第一开关管和第四开关管以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率开关，第二开关管和第三开关管以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率与所述第一开关管和第四开关管相反的动作开关；原边电流流通的路径为：第一开关管→原边谐振电感→变压器→原边谐振电容→第四开关管，第二开关管→原边谐振电感→变压器→原边谐振电容→第三开关管；副边电流流通的路径为：第六开关管→第七开关管，第五开关管→第八开关管。

5.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器，其特征在于：所述负载桥臂电路连接负载谐振腔，所述负载谐振腔包括串联连接的负载谐振电感和负载谐振电容；所述原边桥臂电路由第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管以全桥的方式连接而成，所述原边谐振腔包括串联连接的原边谐振电感和原边谐振电容；所述负载桥臂电路由第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管以全桥的方式连接而成；当电流从原边回路向负载回路流动时，第一开关管和第四开关管以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率开关，第二开关管和第三开关管以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率与所述第一开关管和第四开关管相反的动作开关；电流流通的路径为：第一开关管→原边谐振电感→变压器→原边谐振电容→第四开关管，第二开关管→原边谐振电感→变压器→原边谐振电容→第三开关管；副边电流流通的路径为：第六开关管→负载谐振电感→负载谐振电容→第七开关管，第五开关管→负载谐振电容→负载谐振电感→第八开关管。

6.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器，其特征在于：所述原边桥臂电路由第一开关管、第二开关管串联连接，所述第一开关管和第二开关管均并联二极管和电容；所述原边谐振腔包括串联连接的原边谐振电感和原边谐振电容；所述负载桥臂电路由第五开关管和第六开关管串联连接而成，所述第五开关管和第六开关管均并联二极管和电容，用于同步整流；当电流从原边回路向负载回路流动时，第一开关管以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率开关，第二开关管以固定的死区时间、固定的占空比、固定的频率与所述第一开关管相反的动作开关；电流流通的路径为：第一开关管→原边谐振电容→原边谐振电感→变压器，第二开关管→原边谐振电容→原边谐振电感→变压器。