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：

• 一次側電流采樣方案
• 新型的電流型同步整流驅動(dòng)方案

本文在歸納總結LLC諧振變流器現有同步整流技術(shù)的基礎上對各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細的分析和比較，并提出了新型的一次側電流采樣方案以及一種應用于倍壓整流結構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集成的角度提出了新型的單封裝結構同步整流技術(shù)解決方案。

0 引言

隨著(zhù)消費類(lèi)電子產(chǎn)品需求的不斷擴大，人們對其電源系統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。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。

目前，大量的國內外文獻都對其相關(guān)優(yōu)化設計進(jìn)行了深入的研究，但是當應用于低壓大電流輸出的場(chǎng)合時(shí)二次側整流電路的損耗占據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)在二次側得到廣泛的應用。

1 三元件串聯(lián)LLC諧振變流器的工作原理

傳統LLC諧振變流器的拓撲結構如圖1所示。

圖1 傳統的LLC諧振變流器拓撲結構

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，根據工作頻率的不同，我們可以把它分為三個(gè)模式，即斷續模式（fw<fs<fr）、臨界模式（fs=fr）和連續模式（fs>fr），其中fw為第一諧振頻率，fr為第二諧振頻率，fs為開(kāi)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，當變流器工作于斷續模式時(shí)，一次側開(kāi)關(guān)驅動(dòng)信號、變壓器繞組上的電壓與整流管中的電流不是處于同相位。采用一次側控制芯片信號外驅動(dòng)或電壓型繞組自驅動(dòng)等驅動(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模式。電流型驅動(dòng)技術(shù)可以滿(mǎn)足各種工作模式的需要，但是驅動(dòng)電路的設計相對較為復雜?，F有智能驅動(dòng)控制芯片的驅動(dòng)策略是通過(guò)檢測整流管漏源兩極的壓降以產(chǎn)生驅動(dòng)控制信號，理論上這也能夠實(shí)現變流器斷續模式的正常工作。但是由于同步管的導通壓降很小，芯片本身也具有較多限制，檢測電路容易受到干擾，其應用范圍仍然相當有限。因此對LLC諧振變流器的同步整流方案的研究仍是當前的熱點(diǎn)及難點(diǎn)問(wèn)題。

2 同步整流驅動(dòng)技術(shù)

2.1 外驅動(dòng)
外驅動(dòng)一般是指同步整流管的驅動(dòng)信號獨立于主電路，由外部電路產(chǎn)生。傳統的外驅動(dòng)方式是根據一次側控制芯片的信號，通過(guò)隔離變壓器等給二次側的同步整流管（SR）提供驅動(dòng)信號；另一種則通過(guò)比較電路，檢測SR的漏源極電壓（U DS），產(chǎn)生驅動(dòng)信號。目前市場(chǎng)上的智能同步整流驅動(dòng)芯片就是采用這種控制策略。
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2.1.1 傳統型外驅動(dòng)方案
傳統型外驅動(dòng)方案如圖3所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于同步整流的驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅動(dòng)信號可靠；由于采用了隔離變壓器作為信號隔離電路，一次側MOS管VT1的驅動(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模式，限制了其電壓增益范圍。

圖3 傳統型外驅動(dòng)

2.1.2 檢測SR UDS電壓型外驅動(dòng)方案
市場(chǎng)上現有的絕大部分智能同步整流驅動(dòng)芯片都采用了檢測U DS電壓信號的方法。如圖4所示。該驅動(dòng)方案的優(yōu)點(diǎn)是驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，變流器可以工作于不同的三種模式。但是同步整流驅動(dòng)芯片對外圍電路的參數設計非常敏感，如SR的導通電阻、檢測電路中的引線(xiàn)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PCB的布板設計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U DS電壓型驅動(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 同步整流驅動(dòng)芯片方案

圖5 分離元件組成的U DS檢測電路

2.2 電壓型自驅動(dòng)
電壓型自驅動(dòng)方案如圖6所示。Na1、Na2為變壓器輔助繞組，直接為相應的同步整流管提供驅動(dòng)信號。此驅動(dòng)方案要求變流器工作于臨界模式或者連續模式，而且要求變壓器的輔助繞組與相應的S R二次側繞組之間有比較好的耦合，減小驅動(dòng)信號的延時(shí)。但另一方面，此方案又要求變壓器的兩個(gè)二次側繞組之間具有一定的漏感，以幫助兩個(gè)回路之間實(shí)現換流?？傊?，該方案的變壓器漏感設計和整機變換效率的優(yōu)化很難折中考慮，功率變壓器的設計困難，不利于實(shí)際的生產(chǎn)和應用。

圖6 電壓型自驅動(dòng)方案

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2.3 電流型驅動(dòng)
圖7為幾種典型的電流型驅動(dòng)方案。傳統的電流型驅動(dòng)方案如圖7（a）所示，整個(gè)驅動(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)電流互感器對電流信號進(jìn)行采樣，并給同步管提供相應的驅動(dòng)信號，多余的驅動(dòng)能量被箝位電路消耗。該驅動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，但是有較大的驅動(dòng)損耗，限制了變流器效率的提高。因此有文獻提出了具有剩余驅動(dòng)能量回饋功能的電流型驅動(dòng)方案，如圖7（b）所示。該驅動(dòng)電路中多余的驅動(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動(dòng)電路的損耗，并簡(jiǎn)化電流互感器的設計，但是多繞組的電流互感器大大增加了生產(chǎn)成本。另有文獻提出了一種更為簡(jiǎn)單的電流型驅動(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)也具有剩余驅動(dòng)能量回饋的功能，更加有利于實(shí)際的生產(chǎn)應用。通過(guò)三極管VTd1,它可以準確地檢測同步整流管應該關(guān)斷的時(shí)刻，從而保證了同步整流電路的可靠性。

圖7 幾種典型的電流驅動(dòng)方案

2.4 驅動(dòng)方式比較
我們將上述驅動(dòng)方法做了一個(gè)比價(jià)和總結，如表1所示。從表中可以看出，采用檢測U DS電壓型外驅動(dòng)和電流型驅動(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 一次側電流采樣方案
為了簡(jiǎn)化電流型同步整流方案和二次側布板走線(xiàn)，進(jìn)一步提高二次側效率和功率密度，這里分別先看一次側電流采樣方案，如圖8和圖9所示。

圖8 采用具有相位補償功能的一次側電流采樣方案

圖9 采用輔助變壓器的一次側電流采樣方案

由于LLC諧振變流器的勵磁電流較大，導致一次側電流與二次側電流之間存在相位差，因此，可以采用補償電感L comp對相位進(jìn)行補償，而有文獻則采用輔助變壓器對一次側電流進(jìn)行采樣。這兩種驅動(dòng)方案都可以解決相位差問(wèn)題，而且沒(méi)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動(dòng)方案
本文針對倍壓整流結構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，既解決了二次側上管驅動(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為斷續模式和臨界模式下的主要實(shí)驗波形。

圖10 一種新型的電流型同步整流驅動(dòng)方案

圖11 主要實(shí)驗波形

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集成的角度提出了一種新型的能夠實(shí)現驅動(dòng)信號檢測電路、驅動(dòng)電路和半導體功率器件高度集成的單封裝同步整流結構技術(shù)。為了能夠與現有肖特基整流二極管的布板結構兼容，本文提出（且不限于）以下幾種管腳封裝結構，如表2所示。

5 結束語(yǔ)

本文在對現有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上，總結了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并引入了新型的一次側電流采樣方案，提高變流器的變換效率和功率密度。本文針對LLC諧振變流器二次側倍壓整流結構提出了一種新型的電流型同步整流方案，實(shí)現較好的變換效率及功率密度表現。為了能夠進(jìn)一步地提高功率密度，本文從電力電子系統集成的角度，提出了具有極高集成度的單封裝同步整流結構技術(shù)。為在布線(xiàn)上實(shí)現與當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。