基于諧振模式的大功率開關電源設計

劉曉紅，劉克亮，胡 健

（中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802）

0 概述

開關電源是目前電源的主要發展趨勢。從輸出電壓的高低來看，開關電源可分為低壓電源、高壓電源。開關電源的發展方向為高頻化、高效化、模塊化。幾種基本的開關電源為脈沖寬度調制（PWM）式，脈沖頻率調制（PFM）式，脈沖相位調制（PPM）式。脈沖頻率調制式(PFM)電源因為其固有的優點在大功率開關電源領域有著一定的地位。本文探討的是脈沖調頻式電源諧振回路設計，重點研究并聯、串聯諧振變換器的特性和設計要點。

1 電源參數和電路結構

大多數的諧振變換器都集中在半橋或全橋拓撲方面，本文以全橋拓撲為例進行討論。當折算后的輸出負載（折算到變壓器初級）和諧振電容并聯，則該電路稱為并聯諧振變換器，一般適用于輸出為低壓大電流的場合，如圖1（a）。當折算后的輸出負載與諧振LC 電路串聯，則該電路稱為串聯諧振變換器，一般適用于輸出為高壓的場合，如圖1（b）。

圖1 諧振式變換器基本電路

圖中Lm 為變壓器的等效勵磁電感（后面有敘述），并不是實際的并聯電感；Lr 為諧振電感，其包含變壓器的漏感；Cr 為諧振電容。

2 電路工作過程

2.1 諧振變換器的工作模式

本文涉及的模式主要是電流不連續模式、電流連續模式；以及欠諧振模式和過諧振模式。

諧振變換器可運行于電流連續模式或電流不連續模式下。電流不連續模式下，LC 回路中的電流不是連續的正弦波，而是被一個大的時間間隔Ts 所分割的半軸或整周正弦電流所組成的脈沖序列，如圖2 所示。在不連續模式下，變換器通過調整開關頻率實現對輸出電壓的調整。而電流連續模式可認為是一種特殊情況，即：t2-t0 幾乎等于Ts，在連續模式下，電路中連續的正弦電流或開關管連續方波電壓脈沖間的間隙（死區）可以忽略不計。

近年來，在20～50KHz 的頻率范圍內，諧振變換器可以很好的運行在不連續模式下。然而，在不連續模式下，負載和輸入的劇烈波動會引起開關頻率的劇烈波動。變換器工作于連續模式下可以克服此缺點。

LC 諧振回路的阻抗—頻率特性曲線如圖3 所示。為了實現連續模式的幅值控制—穩壓，在諧振曲線上的欠諧振側或過諧振側可以確定平均開關頻率。

連續模式下的直流輸出電壓，與諧振電容的交流電壓峰值成正比，或者與LC 串聯的交流電流峰值成正比。沿著諧振特性曲線移動改變開關頻率可以改變輸出幅值，從而實現輸出電壓的穩定。

開關管工作頻率高于諧振曲線諧振峰值處的頻率，稱為過諧振模式；開關管工作頻率低于諧振曲線諧振峰值處的頻率，稱為欠諧振模式。從圖3 可看出，諧振曲線非常陡（高Q 值），頻率稍有變化，輸出就會發生很大的變化。

應該注意的是：平均開關頻率高于諧振峰值處的頻率時，必須降低開關頻率以提高輸出電壓或電流；平均開關頻率低于諧振峰值處的頻率時，必須提高開關頻率以提高輸出電壓或電流。

可以根據公式來確定電源的工作模式：

Fs 定義為平均開關頻率，其中Ts 的定義見圖2；

Fr 定義為本征諧振頻率1，見圖1，圖3；

F0 定義為本征諧振頻率2，其中Lm 為變壓器的勵磁電感，Lm 一般遠遠大于Lr；

若Fs ＞Fr，則工作于連續模式；

若F0 ＜Fs ＜Fr,則工作于不連續模式；

連續工作模式下，達到所要求的負載和輸入調整需要更小的頻率范圍。對于工作于過諧振模式的電路，由于其諧振曲線相對比較陡，所以由于器件的微小制造誤差都會使諧振頻率發生偏移。若這種偏移過大，就可能使系統從過諧振模式漂移到欠諧振模式，此時一旦反饋環采樣發現輸出電壓下降，就會降低開關頻率對輸出進行校正。這樣會導致輸出電壓進一步下降，使負反饋變成正反饋。連續模式的缺點就是對諧振參數的一致性要求較高，對于成批生產的開關電源，連續模式下可能會產生不可預料的后果。因此其應用比較受限。

2.2 不連續模式（CCM）下的諧振變換器

在諧振變換器拓撲中，應用較多的還是不連續模式。如前面所述，不連續模式的缺點是輸入電壓和負載不能大幅度的變化，且不連續模式下穩壓所需的頻率范圍較大，這樣就大大限制了其應用場合。不過設計師可以揚其長，避其短，設計出滿足需求的電源。根據交流分析法得到LLC 諧振變換器的輸入輸出特性為：

n 為變壓器原副變匝比

2.2.1 參數k 的影響

對于一個輸入輸出和功率一定的變換器而言，匝比n 固定，在某一Q 下，不同的k 值所帶來的影響：隨著k 值的增大，最大增益在減小，在輸入電壓較低時也許達不到所要求的輸出電壓，且隨著k 值的增大，為保證所需的輸出電壓使得變換器的工作頻率范圍變寬，這不利于磁性元件的工作；但k 越小則Lm 越小，存在較大的關斷損耗，故k 值的選擇應折中考慮開關頻率的范圍、零電壓開通及較小的關斷電流。典型情況下，k=2～4。k 值可決定在一次繞組電感中儲存多少能量。k 值越大，變換器的一次側電流和增益越低，實現穩壓時所需工作頻率范圍也越大。對于部分電源設計來說，k 值可能會高達100，甚至幾百。

2.2.2 參數Q 的影響

在確定了n 和k 值的情況下，Q 值的大小直接關系到直流增益是否足夠大。對于特定的輸入電壓范圍Q 值越小，所對應的開關頻率范圍越小(對于F0＜Fs＜Fr 這種工作模態而言)，這樣有助于磁性元件的工作；但對于確定了的Lm 和Lr，Q 越小Cr越大，諧振腔的阻抗變小，使得變換器的短路特性變差，在負載較重的時候盡量選擇較小的Cr 以達到要求的輸出電壓。這種模式下，一般將滿載時的工作頻率設計為接近或等于諧振頻率（Fs ≈Fr），此時電源的效率最高，而工作頻率越是遠離Fr，效率就越低。

2.3 分析結果

本文介紹的兩種諧振變換器目前在一些特定的場合仍在大量使用，兩種變換器分別適用于低壓大電流場合和高壓場合。兩種變換器都有連續模式和不連續模式，連續模式可以適應輸入電壓和負載波動較大的場合，但是其對器件和電路的一致性有較高要求，因此應用場合非常受限。不連續模式不能適應輸入電壓和負載波動較大的場合，但在輸入電壓和負載波動不大的場合，由于其設計較為容易，仍在大量使用，尤其是在真空發射機、固態發射機以及一些數字設備、通信設備等產品上應用較多。

3 小結

本文介紹了諧振變換器下的連續模式和不連續模式各自的優缺點，重點分析了不連續模式下參數k 和參數Q 對電路設計的影響。在電源設計之初應該搞清楚諧振變換器的優缺點，以及諧振變換器中連續模式和不連續模式的適應場合，合理選擇電源電路。本文對該專業的工程設計人員具有一定的指導作用。

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