基于MC33067的LLC谐振全桥变换器的应用设计

摘要：LLC变换器以其卓越的性能迅速成为DC／DC变换器的首选拓扑，而目前该拓扑大多应用在小功率半桥变换器，而在大功率全桥变换器中的应用还较少。在此提出了一种基于高性能谐振控制器MC33067的LLC谐振全桥变换器设计方案，该拓扑采用了固定死区的互补调频控制方式，巧妙利用了变压器的励磁电感和外置谐振电感与谐振电容发生谐振，实现了初级零电压(ZVS)开通以及次级零电流(ZCS)关断，并给出了输出直流电压48 V，满载功率2 kW的试验结果。试验结果表明，LLC谐振全桥变换器具有高频、高效率等优点，符合电源高功率密度、高效的发展要求。
关键词：变换器；软开关；谐振

1 引言
随着电力电子技术的高速发展，对开关电源提出了更加高频化、高效率、高功率密度以及低噪声等要求。目前比较成熟的软开关技术，如移相全桥也很难做到真正理想状态的软开关(包含主开关管和次级整流二极管)，并且随着开关频率的升高，其损耗也不断增加，因此寻求一种更加高效、高开关频率以及高功率密度的拓扑成为当前研究的重点。LLC谐振全桥变换器作为全桥拓扑中性能较为突出的一种，具备以下优点：初级MOSFETZVS开通，次级整流二极管ZCS关断；电路结构简单，转换效率高；初、次级的电压应力较低；容易实现高频化，故容易实现高功率密度，并且当其工作在所设定的谐振频率时，初、次级电流都接近正弦，高次谐波小，有利于EMI设计。
目前，LLC谐振全桥变换器的设计方法较复杂，大多都是在LLC谐振半桥变换器设计方法的基础上进行试探，通过不断调试和修正获得合适的参数。在此提出了一种基于高性能谐振控制器MC33067的LLC谐振全桥变换器设计方法，在设计合理的前提下，变换器可以轻易实现初级MOSFET ZVS开通，次级整流二极管ZCS关断，体现了变换器的高频高效化。

2 LLC谐振全桥变换器拓扑及工作机理
全桥变换器由于具有较高功率密度而广泛应用于中、大功率场合，其主电路拓扑如图1所示。该电路主要包括初级4个功率MOSFET、谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm，次级则由整流二极管VD5和VD6以及输出滤波电容Co组成。

可见，拓扑中次级没有滤波电感，整流二极管无需缓冲吸收网络，与传统的全桥拓扑相比，其元件大为减少，且变换器的磁性元件能很容易集成到一个磁芯，主变压器的漏感和Lm也能被利用。
LLC谐振全桥变换器包括如图2所示的3个工作区域：其中区域1，2的主开关管工作在ZVS状态，而区域3的主开关管工作在ZCS状态。对于选用MOSFET作为主开关管的高频LLC变换器而言，工作在ZVS条件下其开关损耗最小，工作状态较佳，故其所需的工作区域为增益曲线的右侧(其中负斜率表示初级MOSFET工作在ZVS模式)。当LLC变换器工作在如图2所示的ωs=ωr状态下时，其增益由变压器的匝比决定，从效率和EMI的角度而言，在这个工作点状态下由于正弦初级电流、MOSFET和次级整流二极管都得到最优化利用，故为最佳工作点，但是这只能在特定的工作电压以及负载条件下得到。