半橋LLC諧振變換實(shí)驗(yàn)調(diào)試與分析的實(shí)踐*

董文厚，阮玉華

(昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，推動(dòng)了電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)電源變換器提出了更高的性能要求。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是提高電源功率密度和變換器開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)鍵技術(shù)之一，而LLC變換器可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原邊開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通(ZVS)和副邊整流管零電流關(guān)斷(ZCS)[1]，具有高效率、高功率密度、電氣隔離和波形輸出好等優(yōu)點(diǎn)。所以半橋LLC諧振變換的仿真與實(shí)驗(yàn)是電氣工程電力電子方向研究生選修的綜合實(shí)驗(yàn)之一。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)學(xué)生對(duì)半橋LLC諧振變換器設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程，使他們具備相應(yīng)的設(shè)計(jì)能力，從而提高研究生在電力電子專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和專(zhuān)業(yè)研究能力[2]。

選修本實(shí)驗(yàn)的研究生，本科來(lái)自不同學(xué)校和不同專(zhuān)業(yè)，由于他們的電力電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)相差較大[3]，而且本實(shí)驗(yàn)橫跨電力、電子和控制三個(gè)領(lǐng)域，是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是弱電對(duì)強(qiáng)電實(shí)現(xiàn)控制的橋梁和紐帶[4]，所以給本實(shí)驗(yàn)課程的安裝和調(diào)試帶來(lái)困難，最終造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果不理想，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，本文針對(duì)學(xué)生在調(diào)試檢查階段出現(xiàn)的問(wèn)題和故障進(jìn)行了梳理，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理和波形輸出給出了解決問(wèn)題的方向，以提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力和實(shí)驗(yàn)的自信心，也為搭建實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)提供檢查方法。

1 半橋LLC諧振變換實(shí)驗(yàn)原理

半橋LLC諧振變換實(shí)驗(yàn)的基本組成原理框圖如圖1所示，該電路主要由EMI濾波、整流濾波、LLC變換器、反饋、脈沖調(diào)頻控制、驅(qū)動(dòng)、輔助電源、保護(hù)單元電路等幾部分組成。圖2為半橋LLC諧振變換實(shí)驗(yàn)原理圖。該電路輸入為220 V交流電，經(jīng)橋式整流濾波后，在半橋輸入端達(dá)到約300 V的直流電壓。經(jīng)UCC25600芯片脈沖調(diào)頻控制穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定的輸出。

圖1 半橋LLC諧振變換實(shí)驗(yàn)電路基本組成原理框圖

圖2 半橋LLC諧振變換實(shí)驗(yàn)原理圖

1.1 半橋LLC諧振變換器的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)及原理

半橋LLC諧振變換器是在串聯(lián)諧振變換器(SRC)的基礎(chǔ)上變化而來(lái)的，利用變壓器的充磁電感，不需要任何輔助網(wǎng)絡(luò)的幫助就能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的寬范圍ZVS開(kāi)通和整流管的寬范圍ZCS關(guān)斷，較大的諧振腔阻抗能有效地降低一次側(cè)環(huán)流能量損耗，同時(shí)也降低了開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷電流應(yīng)力，使變換器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，避免了零電流開(kāi)關(guān)區(qū)可能導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。在額定電壓輸入下，當(dāng)工作頻率接近諧振頻率fr時(shí)，變換器達(dá)到最佳效率。

圖3 單路輸出半橋LLC諧振變換器

1.2 UCC25600控制電路

根據(jù)LLC諧振變換器的工作原理，本實(shí)驗(yàn)采用脈沖調(diào)頻(PFM)控制。根據(jù)輸出電壓的采樣反饋，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。在額定輸入電壓下，通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為接近諧振頻率fr，可以獲得最佳的效率。當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率也降低以提高增益并保持輸出電壓穩(wěn)定。UCC25600諧振半橋控制器采用可變開(kāi)關(guān)頻率控制來(lái)調(diào)節(jié)諧振槽阻抗和輸出電壓。UCC25600高性能諧振控制器是專(zhuān)為使用LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，內(nèi)部集成了40 kHz～350 kHz的振蕩器，可設(shè)置死區(qū)時(shí)間和軟啟動(dòng)時(shí)間，還具有過(guò)流、UVLO、偏置電源OVP和過(guò)溫保護(hù)等功能。

該電路由死區(qū)設(shè)置電阻DT1，最高、最低限制頻率電阻RT1和RT2，軟啟動(dòng)電容C26以及過(guò)流保護(hù)電路組成。各引腳功能見(jiàn)表1。

表1 UCC25600引腳功能

1.3 FAN7390驅(qū)動(dòng)電路

由于半橋LLC諧振變換器原邊上管為高壓輸入，因此需要為上管的驅(qū)動(dòng)加自舉電路，然而高壓會(huì)引入到驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部，為避免功率電路對(duì)控制電路的影響，本電路選用的驅(qū)動(dòng)芯片需要具有高壓隔離特性。為了簡(jiǎn)化電路，減少脈沖變壓器，本實(shí)驗(yàn)選取FAN7390驅(qū)動(dòng)芯片為自舉驅(qū)動(dòng)電路的核心，它是高壓與高速雙通道集成的，內(nèi)部集成了自舉電路，外部電路簡(jiǎn)單，只要有快恢復(fù)二極管D9和自舉電容C14就能正常運(yùn)行。具體驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。表2為具體引腳功能。

表2 FAN7390引腳功能

1.4 TL431+PC817反饋電路

反饋電路能實(shí)時(shí)采集輸出電壓的變化，為控制電路提供可靠的輸出電壓信息。本實(shí)驗(yàn)采用的是TL431與PC817配合構(gòu)成的反饋電路，其電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)壓性能最好，能夠非常準(zhǔn)確地調(diào)整V01，使開(kāi)關(guān)電源輸出的電壓調(diào)節(jié)率達(dá)到±0.5%，能與線性電源媲美。其電路原理如圖2所示。

這里需要根據(jù)TL431的穩(wěn)壓原理來(lái)計(jì)算R20、R21和R23的值，由TL431內(nèi)部原理可知：

(1)

反饋電阻的阻值為：

(2)

其中：VREF為T(mén)L431內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，為2.5 V；IF為反饋電流。

2 檢查調(diào)試方法

根據(jù)半橋LLC諧振變換電路技術(shù)要求、電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)和參數(shù)分析計(jì)算，選取諧振電容、開(kāi)關(guān)MOSFET管、輸出快恢復(fù)二極管、反饋取樣電阻，并繞制諧振電感、高頻變壓器、輸出濾波電感(L1、L2、L3)。把所有元器件焊接到電路板上，最后進(jìn)行通電調(diào)試。

由于本實(shí)驗(yàn)所用的元器件多為貼片元件，手動(dòng)焊接容易造成虛焊、極性接反和型號(hào)錯(cuò)誤等，從而降低通電調(diào)試的成功率，如果直接接通主電源，還有可能會(huì)燒毀MOSFET管、驅(qū)動(dòng)芯片和控制芯片，因此通電調(diào)試前的分塊檢查至關(guān)重要。

2.1 檢查UCC25600控制電路

用15 V直流電源給輔助電源電路的AP1和AP2供電，用萬(wàn)用表測(cè)量UCC25600的7腳(VCC)供電是否正常，否則檢查輔助電源電路。然后用示波器測(cè)量8腳(GD1)和5腳(GD2)是否有方波信號(hào)輸出如圖4所示。如果沒(méi)有方波輸出，再測(cè)量3腳(OC)對(duì)地的電壓是否高于1 V，從芯片原理可知，高于1 V芯片進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。根據(jù)原理分析故障原因：①主電路過(guò)度保護(hù)，但主電路還未通電，過(guò)流檢測(cè)不可能動(dòng)作；②3腳(OC)端懸空而進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，應(yīng)檢查OC端的外圍電路CP1、RP1、D4、D7、RS1、RS2、RS3等焊接情況；③為了充分了解高頻變換器的干擾和電磁兼容性問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了多種接地，在控制地GND和主電路地PGND之間設(shè)置了0 Ω電阻R24，當(dāng)R24不通時(shí)也會(huì)造成3腳(OC)端高于1 V，應(yīng)著重檢查。另外當(dāng)UCC25600輸出正常的情況下可以觀察兩組信號(hào)的死區(qū)時(shí)間，如圖5所示，來(lái)驗(yàn)證DT1是否合理。

圖4 UCC25600 8腳和5腳輸出的方波 圖5 UCC25600輸出方波的死區(qū)時(shí)間

2.2 檢查FAN7390驅(qū)動(dòng)電路

同樣先用萬(wàn)用表測(cè)量FAN7390的5腳(VDD)電壓，來(lái)判斷芯片供電是否正常。用示波器測(cè)量1腳(HIN)和2腳(LIN)以及4腳(LO)和7腳(HO)是否有方波信號(hào)輸入和輸出。如果4腳(LO)有方波輸出而7腳(HO)只有高電平輸出如圖6所示，說(shuō)明FAN7390的下管驅(qū)動(dòng)電路正常，而上管驅(qū)動(dòng)回路有故障，這時(shí)應(yīng)著重檢查上管驅(qū)動(dòng)回路的外圍元件快恢復(fù)二極管D9和自舉電容C14，特別是D9的極性是否接反。另外，還要檢查開(kāi)關(guān)管Q1和Q2是否擊穿，它們也會(huì)使自舉電路無(wú)法正常工作，而使7腳(HO)無(wú)信號(hào)輸出。

圖6 FAN7390 4腳和7腳輸出的波形

2.3 檢查T(mén)L43PC871反饋電路

首先模擬輸出電壓，即用一個(gè)直流可調(diào)電源(輸出電壓要能在15 V左右調(diào)節(jié))接在輸出端口P1上，注意電源極性，若接反濾波電解電容C1、C2會(huì)炸。調(diào)節(jié)模擬輸出電壓，用萬(wàn)用表觀察TL431的R腳的電壓應(yīng)該在0～2.5 V之間變化，同時(shí)用示波器觀察FAN7390的4腳(LO)和7腳(HO)輸出方波信號(hào)的變化情況，應(yīng)該在UCC25600的最低和最高頻率之間變化，如圖7所示。

圖7 最低和最高頻率輸出的方波

2.4 檢查主電路

最后，有一種情況特別說(shuō)明，當(dāng)主電路不通電時(shí)，控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和反饋電路按上面的方法檢查波形都正常；反之，當(dāng)輔助電源不通電時(shí)，主電路整流濾波輸出的電壓關(guān)系也正常，也能正常加到220 V，輸出310 V左右。但是，當(dāng)主電路和輔助電源電路都同時(shí)通電，主電路稍加電壓，保險(xiǎn)管F1就會(huì)立即熔斷保護(hù)，這是由于上、下開(kāi)關(guān)管Q1和Q2存在同時(shí)導(dǎo)通短路造成的，應(yīng)主要檢查以下三個(gè)方面：①上、下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間；②上、下開(kāi)關(guān)管是否有擊穿損壞情況；③FAN7390高端驅(qū)動(dòng)電路中的快恢復(fù)二極管D9是否用成普通二極管，若用成普通二極管也會(huì)使上開(kāi)關(guān)管Q1不能及時(shí)關(guān)斷造成短路。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)總結(jié)一年來(lái)參與指導(dǎo)半橋LLC諧振變換電路實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生遇到的各種問(wèn)題，提出用波形直觀法去檢查和調(diào)試實(shí)驗(yàn)，這樣能夠有效提高實(shí)驗(yàn)效果,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性,全面提高學(xué)生的動(dòng)手能力,使學(xué)生綜合分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。