半桥LLC谐振变换实验调试与分析的实践*

董文厚，阮玉华

(昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650000)

0 引言

随着经济社会的发展，推动了电力电子技术的不断进步，对电源变换器提出了更高的性能要求。软开关技术是提高电源功率密度和变换器开关频率的关键技术之一，而LLC变换器可以在全负载范围内实现原边开关管零电压开通(ZVS)和副边整流管零电流关断(ZCS)[1]，具有高效率、高功率密度、电气隔离和波形输出好等优点。所以半桥LLC谐振变换的仿真与实验是电气工程电力电子方向研究生选修的综合实验之一。本实验通过学生对半桥LLC谐振变换器设计和调试过程，使他们具备相应的设计能力，从而提高研究生在电力电子专业领域的设计开发和专业研究能力[2]。

选修本实验的研究生，本科来自不同学校和不同专业，由于他们的电力电子技术基础知识相差较大[3]，而且本实验横跨电力、电子和控制三个领域，是电力电子技术的基础，是弱电对强电实现控制的桥梁和纽带[4]，所以给本实验课程的安装和调试带来困难，最终造成学生实验效果不理想，实验目标无法实现。因此，本文针对学生在调试检查阶段出现的问题和故障进行了梳理，并结合实验原理和波形输出给出了解决问题的方向，以提高学生的动手操作能力和实验的自信心，也为搭建实验研究平台提供检查方法。

1 半桥LLC谐振变换实验原理

半桥LLC谐振变换实验的基本组成原理框图如图1所示，该电路主要由EMI滤波、整流滤波、LLC变换器、反馈、脉冲调频控制、驱动、辅助电源、保护单元电路等几部分组成。图2为半桥LLC谐振变换实验原理图。该电路输入为220 V交流电，经桥式整流滤波后，在半桥输入端达到约300 V的直流电压。经UCC25600芯片脉冲调频控制稳压后，得到稳定的输出。

图1 半桥LLC谐振变换实验电路基本组成原理框图

图2 半桥LLC谐振变换实验原理图

1.1 半桥LLC谐振变换器的拓补结构及原理

半桥LLC谐振变换器是在串联谐振变换器(SRC)的基础上变化而来的，利用变压器的充磁电感，不需要任何辅助网络的帮助就能实现开关管的宽范围ZVS开通和整流管的宽范围ZCS关断，较大的谐振腔阻抗能有效地降低一次侧环流能量损耗，同时也降低了开关管的关断电流应力，使变换器设计简化，避免了零电流开关区可能导致系统损坏。在额定电压输入下，当工作频率接近谐振频率fr时，变换器达到最佳效率。

图3 单路输出半桥LLC谐振变换器

1.2 UCC25600控制电路

根据LLC谐振变换器的工作原理，本实验采用脉冲调频(PFM)控制。根据输出电压的采样反馈，调节开关频率来稳定输出电压。在额定输入电压下，通过将开关频率设置为接近谐振频率fr，可以获得最佳的效率。当输入电压降低时，开关频率也降低以提高增益并保持输出电压稳定。UCC25600谐振半桥控制器采用可变开关频率控制来调节谐振槽阻抗和输出电压。UCC25600高性能谐振控制器是专为使用LLC谐振拓扑结构设计的，内部集成了40 kHz～350 kHz的振荡器，可设置死区时间和软启动时间，还具有过流、UVLO、偏置电源OVP和过温保护等功能。

该电路由死区设置电阻DT1，最高、最低限制频率电阻RT1和RT2，软启动电容C26以及过流保护电路组成。各引脚功能见表1。

表1 UCC25600引脚功能

1.3 FAN7390驱动电路

由于半桥LLC谐振变换器原边上管为高压输入，因此需要为上管的驱动加自举电路，然而高压会引入到驱动芯片内部，为避免功率电路对控制电路的影响，本电路选用的驱动芯片需要具有高压隔离特性。为了简化电路，减少脉冲变压器，本实验选取FAN7390驱动芯片为自举驱动电路的核心，它是高压与高速双通道集成的，内部集成了自举电路，外部电路简单，只要有快恢复二极管D9和自举电容C14就能正常运行。具体驱动电路如图2所示。表2为具体引脚功能。

表2 FAN7390引脚功能

1.4 TL431+PC817反馈电路

反馈电路能实时采集输出电压的变化，为控制电路提供可靠的输出电压信息。本实验采用的是TL431与PC817配合构成的反馈电路，其电路简单，稳压性能最好，能够非常准确地调整V01，使开关电源输出的电压调节率达到±0.5%，能与线性电源媲美。其电路原理如图2所示。

这里需要根据TL431的稳压原理来计算R20、R21和R23的值，由TL431内部原理可知：

(1)

反馈电阻的阻值为：

(2)

其中：VREF为TL431内部基准电压，为2.5 V；IF为反馈电流。

2 检查调试方法

根据半桥LLC谐振变换电路技术要求、电路拓补结构和参数分析计算，选取谐振电容、开关MOSFET管、输出快恢复二极管、反馈取样电阻，并绕制谐振电感、高频变压器、输出滤波电感(L1、L2、L3)。把所有元器件焊接到电路板上，最后进行通电调试。

由于本实验所用的元器件多为贴片元件，手动焊接容易造成虚焊、极性接反和型号错误等，从而降低通电调试的成功率，如果直接接通主电源，还有可能会烧毁MOSFET管、驱动芯片和控制芯片，因此通电调试前的分块检查至关重要。

2.1 检查UCC25600控制电路

用15 V直流电源给辅助电源电路的AP1和AP2供电，用万用表测量UCC25600的7脚(VCC)供电是否正常，否则检查辅助电源电路。然后用示波器测量8脚(GD1)和5脚(GD2)是否有方波信号输出如图4所示。如果没有方波输出，再测量3脚(OC)对地的电压是否高于1 V，从芯片原理可知，高于1 V芯片进入保护状态。根据原理分析故障原因：①主电路过度保护，但主电路还未通电，过流检测不可能动作；②3脚(OC)端悬空而进入保护状态，应检查OC端的外围电路CP1、RP1、D4、D7、RS1、RS2、RS3等焊接情况；③为了充分了解高频变换器的干扰和电磁兼容性问题，本实验设计了多种接地，在控制地GND和主电路地PGND之间设置了0 Ω电阻R24，当R24不通时也会造成3脚(OC)端高于1 V，应着重检查。另外当UCC25600输出正常的情况下可以观察两组信号的死区时间，如图5所示，来验证DT1是否合理。

图4 UCC25600 8脚和5脚输出的方波 图5 UCC25600输出方波的死区时间

2.2 检查FAN7390驱动电路

同样先用万用表测量FAN7390的5脚(VDD)电压，来判断芯片供电是否正常。用示波器测量1脚(HIN)和2脚(LIN)以及4脚(LO)和7脚(HO)是否有方波信号输入和输出。如果4脚(LO)有方波输出而7脚(HO)只有高电平输出如图6所示，说明FAN7390的下管驱动电路正常，而上管驱动回路有故障，这时应着重检查上管驱动回路的外围元件快恢复二极管D9和自举电容C14，特别是D9的极性是否接反。另外，还要检查开关管Q1和Q2是否击穿，它们也会使自举电路无法正常工作，而使7脚(HO)无信号输出。

图6 FAN7390 4脚和7脚输出的波形

2.3 检查TL43PC871反馈电路

首先模拟输出电压，即用一个直流可调电源(输出电压要能在15 V左右调节)接在输出端口P1上，注意电源极性，若接反滤波电解电容C1、C2会炸。调节模拟输出电压，用万用表观察TL431的R脚的电压应该在0～2.5 V之间变化，同时用示波器观察FAN7390的4脚(LO)和7脚(HO)输出方波信号的变化情况，应该在UCC25600的最低和最高频率之间变化，如图7所示。

图7 最低和最高频率输出的方波

2.4 检查主电路

最后，有一种情况特别说明，当主电路不通电时，控制电路、驱动电路和反馈电路按上面的方法检查波形都正常；反之，当辅助电源不通电时，主电路整流滤波输出的电压关系也正常，也能正常加到220 V，输出310 V左右。但是，当主电路和辅助电源电路都同时通电，主电路稍加电压，保险管F1就会立即熔断保护，这是由于上、下开关管Q1和Q2存在同时导通短路造成的，应主要检查以下三个方面：①上、下开关管驱动信号的死区时间；②上、下开关管是否有击穿损坏情况；③FAN7390高端驱动电路中的快恢复二极管D9是否用成普通二极管，若用成普通二极管也会使上开关管Q1不能及时关断造成短路。

3 结束语

本文通过总结一年来参与指导半桥LLC谐振变换电路实验过程中学生遇到的各种问题，提出用波形直观法去检查和调试实验，这样能够有效提高实验效果,激发学生学习的积极性、主动性,全面提高学生的动手能力,使学生综合分析和解决实际问题的能力得到了进一步加强。