基于谐振模式的大功率开关电源设计

刘晓红，刘克亮，胡 健

（中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海 201802）

0 概述

开关电源是目前电源的主要发展趋势。从输出电压的高低来看，开关电源可分为低压电源、高压电源。开关电源的发展方向为高频化、高效化、模块化。几种基本的开关电源为脉冲宽度调制（PWM）式，脉冲频率调制（PFM）式，脉冲相位调制（PPM）式。脉冲频率调制式(PFM)电源因为其固有的优点在大功率开关电源领域有着一定的地位。本文探讨的是脉冲调频式电源谐振回路设计，重点研究并联、串联谐振变换器的特性和设计要点。

1 电源参数和电路结构

大多数的谐振变换器都集中在半桥或全桥拓扑方面，本文以全桥拓扑为例进行讨论。当折算后的输出负载（折算到变压器初级）和谐振电容并联，则该电路称为并联谐振变换器，一般适用于输出为低压大电流的场合，如图1（a）。当折算后的输出负载与谐振LC 电路串联，则该电路称为串联谐振变换器，一般适用于输出为高压的场合，如图1（b）。

图1 谐振式变换器基本电路

图中Lm 为变压器的等效励磁电感（后面有叙述），并不是实际的并联电感；Lr 为谐振电感，其包含变压器的漏感；Cr 为谐振电容。

2 电路工作过程

2.1 谐振变换器的工作模式

本文涉及的模式主要是电流不连续模式、电流连续模式；以及欠谐振模式和过谐振模式。

谐振变换器可运行于电流连续模式或电流不连续模式下。电流不连续模式下，LC 回路中的电流不是连续的正弦波，而是被一个大的时间间隔Ts 所分割的半轴或整周正弦电流所组成的脉冲序列，如图2 所示。在不连续模式下，变换器通过调整开关频率实现对输出电压的调整。而电流连续模式可认为是一种特殊情况，即：t2-t0 几乎等于Ts，在连续模式下，电路中连续的正弦电流或开关管连续方波电压脉冲间的间隙（死区）可以忽略不计。

近年来，在20～50KHz 的频率范围内，谐振变换器可以很好的运行在不连续模式下。然而，在不连续模式下，负载和输入的剧烈波动会引起开关频率的剧烈波动。变换器工作于连续模式下可以克服此缺点。

LC 谐振回路的阻抗—频率特性曲线如图3 所示。为了实现连续模式的幅值控制—稳压，在谐振曲线上的欠谐振侧或过谐振侧可以确定平均开关频率。

连续模式下的直流输出电压，与谐振电容的交流电压峰值成正比，或者与LC 串联的交流电流峰值成正比。沿着谐振特性曲线移动改变开关频率可以改变输出幅值，从而实现输出电压的稳定。

开关管工作频率高于谐振曲线谐振峰值处的频率，称为过谐振模式；开关管工作频率低于谐振曲线谐振峰值处的频率，称为欠谐振模式。从图3 可看出，谐振曲线非常陡（高Q 值），频率稍有变化，输出就会发生很大的变化。

应该注意的是：平均开关频率高于谐振峰值处的频率时，必须降低开关频率以提高输出电压或电流；平均开关频率低于谐振峰值处的频率时，必须提高开关频率以提高输出电压或电流。

可以根据公式来确定电源的工作模式：

Fs 定义为平均开关频率，其中Ts 的定义见图2；

Fr 定义为本征谐振频率1，见图1，图3；

F0 定义为本征谐振频率2，其中Lm 为变压器的励磁电感，Lm 一般远远大于Lr；

若Fs ＞Fr，则工作于连续模式；

若F0 ＜Fs ＜Fr,则工作于不连续模式；

连续工作模式下，达到所要求的负载和输入调整需要更小的频率范围。对于工作于过谐振模式的电路，由于其谐振曲线相对比较陡，所以由于器件的微小制造误差都会使谐振频率发生偏移。若这种偏移过大，就可能使系统从过谐振模式漂移到欠谐振模式，此时一旦反馈环采样发现输出电压下降，就会降低开关频率对输出进行校正。这样会导致输出电压进一步下降，使负反馈变成正反馈。连续模式的缺点就是对谐振参数的一致性要求较高，对于成批生产的开关电源，连续模式下可能会产生不可预料的后果。因此其应用比较受限。

2.2 不连续模式（CCM）下的谐振变换器

在谐振变换器拓扑中，应用较多的还是不连续模式。如前面所述，不连续模式的缺点是输入电压和负载不能大幅度的变化，且不连续模式下稳压所需的频率范围较大，这样就大大限制了其应用场合。不过设计师可以扬其长，避其短，设计出满足需求的电源。根据交流分析法得到LLC 谐振变换器的输入输出特性为：

n 为变压器原副变匝比

2.2.1 参数k 的影响

对于一个输入输出和功率一定的变换器而言，匝比n 固定，在某一Q 下，不同的k 值所带来的影响：随着k 值的增大，最大增益在减小，在输入电压较低时也许达不到所要求的输出电压，且随着k 值的增大，为保证所需的输出电压使得变换器的工作频率范围变宽，这不利于磁性元件的工作；但k 越小则Lm 越小，存在较大的关断损耗，故k 值的选择应折中考虑开关频率的范围、零电压开通及较小的关断电流。典型情况下，k=2～4。k 值可决定在一次绕组电感中储存多少能量。k 值越大，变换器的一次侧电流和增益越低，实现稳压时所需工作频率范围也越大。对于部分电源设计来说，k 值可能会高达100，甚至几百。

2.2.2 参数Q 的影响

在确定了n 和k 值的情况下，Q 值的大小直接关系到直流增益是否足够大。对于特定的输入电压范围Q 值越小，所对应的开关频率范围越小(对于F0＜Fs＜Fr 这种工作模态而言)，这样有助于磁性元件的工作；但对于确定了的Lm 和Lr，Q 越小Cr越大，谐振腔的阻抗变小，使得变换器的短路特性变差，在负载较重的时候尽量选择较小的Cr 以达到要求的输出电压。这种模式下，一般将满载时的工作频率设计为接近或等于谐振频率（Fs ≈Fr），此时电源的效率最高，而工作频率越是远离Fr，效率就越低。

2.3 分析结果

本文介绍的两种谐振变换器目前在一些特定的场合仍在大量使用，两种变换器分别适用于低压大电流场合和高压场合。两种变换器都有连续模式和不连续模式，连续模式可以适应输入电压和负载波动较大的场合，但是其对器件和电路的一致性有较高要求，因此应用场合非常受限。不连续模式不能适应输入电压和负载波动较大的场合，但在输入电压和负载波动不大的场合，由于其设计较为容易，仍在大量使用，尤其是在真空发射机、固态发射机以及一些数字设备、通信设备等产品上应用较多。

3 小结

本文介绍了谐振变换器下的连续模式和不连续模式各自的优缺点，重点分析了不连续模式下参数k 和参数Q 对电路设计的影响。在电源设计之初应该搞清楚谐振变换器的优缺点，以及谐振变换器中连续模式和不连续模式的适应场合，合理选择电源电路。本文对该专业的工程设计人员具有一定的指导作用。

[1]（美）Abraham I.Pressman 等著.开关电源设计.王志强等译.电子工业出版社,2010

[2]王聪.软开关功率变换器及其应用.科学出版社.2000

[3]宋清亮.应用在通信二次电源中的LLC 串联谐振变换器的研究.通信电源技术,2009,Vol 26 No.2：7-9

[4]陆治国,余昌斌.新型LLC 谐振变换器的分析与设计.电气应用,2008,27(1)：65-68