基于L6599A的LLC半桥谐振变换器设计

2017年10月第40卷第5期
舰船电子对抗
SHIPBO八RDELECTRONICCOUNTERME八SURE
Oct. 2017
Vol. 40 No. 5
基于L6599A的LLC半桥谐振变换器设计
颜川江，祝新
(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州225001)
摘要：L L C谐振变换器相对于其他拓扑具有结构简单、效率高、电磁干扰小的优点。

介绍了由L6563H W L6599A 控制芯片构成的半桥谐振变换器的方案，提出了一款150 W带功率因素校正（P F C)功能的电源设计要求，阐述了 L L C谐振变换器的工作原理，推导出L L C谐振变换器的计算公式，得到了谐振电容、串联电感、激磁电感的设计参 数，从而计算出L6599A的外围参数，对变压器的设计具有指导价值。

关键词：谐振变换器；零电压开关;负载独立工作点
中图分类号：T M46 文献标识码：B 文章编号：C N32-1413(2017)05-0097-05
D O I：10. 16426/j. cnkL jcdzdk. 2017. 05. 022
Design of LLC Half-bridge Resonance Converter Based on L6599A
Y A N C h u an-jia n g’Z H U X in
(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)
Abstract：T h e L L C reso n an ce co n v erte r h as the a d v an tag e s o f sim p le s tr u c tu r e,h igh e fficie n cy and sm all e lectro m agn etic in te rfe re n ce com pared w ith oth er to p o lo g ie s.T h is p ap er in tro d u ces the schem e o f h a l—brid ge reso n an ce co n v erte r com posed o f L6563H and L6599A con tro l c h ip s,p ro p o­ses the d esign req u irem en t o f a 150W p o w er su p p ly w ith p o w er facto r co rrectio n (P F C) ,e x p atiate s t h e w o r k in g p rin cip le o f L L C reso n an ce c o n v e r te r,e d u c e s th e calcu latio n fo rm u la o f L L C reson an ce c o n v e r te r,ob tain s th e d esign p aram e te rs o f reso n an ce c a p a c ito r,serie s ind uctan ce and m agn etizin g in d u c ta n ce,th e re b y calcu la tes the e x te rn a l p aram e te rs o f L6599A,w h ich is o f guidan ce valu e fo r th e d esign o f tra n sfo rm e r.
Key words：reso n an ce c o n v e r te r；zero v o lta g e s w it c h；load independent w o rk point
0引百
目前全世界都在提倡低炭环保、绿色能源，因此 节能技术显得尤为重要，传统的开关电源将电网电源整流成直流，再通过硬开关电源变换成设定的电压，这种方式会造成大量的电网电能损耗，因此带功 率因素校正（P F C)的软开关电源将是理想之选。

随 着开关电源技术的发展，越来越多的软开关技术被研究出来，其中不乏运用广泛的拓扑，比如L L C谐 振电路、有源嵌位正激电路等等。

L L C谐振电路具有许多优点，如结构简单、功率密度较高、电磁干扰。

目前L L C谐振电路广泛用于航天、电子、通信、家电产品等领域。

本文就是针对150W中小功率的电源应用，目前市场上带P F C功能的A C/D C电源 小功率300W，。

因，电源 有 要。

本文首先介绍了本变换器采用的电路形式，随 后重点推导了L L C谐振变换器的参数计算公式，以及在设计中必须保证零电压开关（Z V S)的工作条件。

推导完成之后，提出了150W电源的设计要求，通过计算分析得出了L L C谐振电路的谐振电感、电容等参数，计算出变压器的参数。

本电路的谐振电感由变压初级的漏感替代，因此变压器增加了隔离槽，规定了变压器的绕线方式。

收稿日期：2017 -09 -06
98
舰船电子对抗
第40卷
图1变换器系统框图
前级P F C 电路采用B O O S T 拓扑，将电流设计 成临界连续模式（C R M )，在300 W 以内，C R M 具有
的优势。

D C /D C 部分的电
半桥L L C
型串联谐振变换器拓扑结构，主电路结构如图2 所示。

U
/狉2
12 n 槡犔犆^狉
1
2丌槡(L 犿^ L r)Cr
⑴
(2)
图2 L L C 串联谐振变换器拓扑结构
:部分:方半桥L L C 串联谐振变换器一般包括]波生成电路、谐振网络和输出电路。

方波由芯片产生，通过互补的开关信号，开关管 交替导通。

死区的加人防止了高
管共导通，
同时在死区时间里，高低开关管的结电容充放电，为
管实现零电
创
件[1]。

半桥L L C 谐振变换器电路的2个谐振频率：一 个是L r B C r 的谐振频率/狉1，一个是犔犿加上L r 与 C r 的谐振频率/狉2,即：
式中：/ri>/r 2。

2
计算公式的推导
虽然理论上，L L C 半桥谐振电路可以在全负载
范围内实现零电压开通，但是还是要考虑谐振电路 工作情况，比如谐振频率。

当 频率在/r 2附近的时候，此时为容性模式，Z V S 实现，将导致开关
管处于
状态。

L L C 谐振电路工作在期
的区域，才能保证M O S F E T 实现零电。

了分析
管的Z V S 条件与谐振电路工作
区域的关系，首先要分析谐振电电路输人阻抗，图3 为谐振电路的等效单路。

图3 L L C 谐振电路等效电路
L L C 半桥谐振等效电路输人及输出的传递函
：
1
电路方案选择
电路的前级P F C 电路主控芯片采用L 6563H ， 电路的后级
了 L 6599A ，L 6599A 是一个用于谐
振半桥拓扑电路的双端控制器。

它提供50%的占
空比，在同一时间高端和低端180°反相。

输出电压
通过调整工作频率来实现。

在高低端 管的
：
之间插人一个固定的死区时间 的实现
和高频开关状态。

L 6563H B L 6599A 协同工作的
系统框图如图1所示。

直压c
t
出电丨
输
流
第5期颜川江等：基于L6599A的LLC半桥谐振变换器设计99
nV0 V,n/2
)vuLm n2Z0
jvuL犿 +n Z a
+)zvL犿 +
jzvLm n2Z〇
jzvL犿 +n Z〇
(3)
式中：A = #为电感比；/狀=^为归一化频率;
L犿犳r\
Q =犣^为品质因数;Z〇=/犔狉=2/r L r= n V〇u t\ C r
^输出特征阻抗n = #为匝数比。

2n/C r犖 s
由公式（i)可以得到：
2^nV
M//n,A,Q) =^V0⑷
将/n= #，A=犔狉，Q=犣人公式C D
/ ri L犿n V〇u t
并进行简化，可以得出：
M(/n，A，Q)二-1
槡 a+A—A)+Q(/n—1)2
(5 )
如图4所示，深色区域为电路工作的感性区域，此时/>/r i;浅色区电路工作的容性区域，此时/</2当/r2</</r i时，电路工作在容性还是感性取决于情况。

电路应该避免工作在容性区，即频率接近/r2。

电路工作在容性区域，能实现零电（Z C S)，但不能实现零电F关(Z V S)，且会造成环路的。

图中曲线 同的 因数Q在同一电感比
下的曲线，其中有个所有曲线的共同点，这个点叫负载独立工作点，在这个点上，工作频率和增益不因的变 [2]。

图4 L L C谐振电路增益图
L L C谐振电路主要是通过改变输人方波的开关频率来调整输出电压的，当电路工作在感性区域内，通过提高频率输出功率的。

：将
谐振电路设计立工作点附近，那么变换器可以
在较窄的工作频率范围内实现范围的负载变。

因为本设计的前级有P F C电路的稳定输出，因此输人电压的变化对变换器的工作频率范围基。

图4中最外面的1对曲线为L L C谐振电路无负载时的曲线犕~(〇；—%)，此时可公式（5)变：
M(n,A,Q) =------1^,—a)
I i+A—A |
由于a对于/n可以忽略不计，那么犕~就可以进一步简：
M^ =M(/n A Q) = i i A a)
结合上面的讨论，利用最小电压增益特征函数M mm>M m，可以在输人直流电压最高处得到M m m，有 可 能 电 工 作 情 况 。

M—为：
M m i n = 2n V〇>丄 二 M m(8)
V i n m a x1+A
此时，可以得到最高开关频率比：
^+1(1 —丄）
槡 1+ A (M m m)
同理，可以在输人直流电压最小、负载最重时得到 电压增 M m ax和 频率比：
M m a x =2n=犞^(1〇)
11
槡 1+1(1—:M L x)
同时，从公式（7)可以看出，L r、L m将决定L L C 谐振电 时的电压增益，这是设计当中确保
电能 工作 情况 的 。

的结果，实际设置工作频率时还须避工作频率（/m m)接近第二谐振频率（/r2)的情况。

L L C谐振电路工作在感性区，并不是金属-氧化物-半导体场效应管（M O S F E T)实现零电压开通的充分条件，要实现零电压开通， M O S
-
100舰船电子对抗第40卷
F E T电流滞后于电压，因此M O S F E T的输出电容保证了电路在最大输人空载的时候，在最高频及寄生电容必须在开通前充分放电。

需要被放电的率能正常工作。

等效电容等效为：由以上推导可以计算出：
C zvs = 2C〇ss^C p a r a s i t i c a i(12)
满足M O S F E T零电压开通的品质因数可以由下式给出：
Q zvs < n狋-犘n(13)
2 犆t o t a l犞d c
由此可以得出输出阻抗、谐振电容、谐振电感、
变压器电感分别为：乙=犙z v s狀10.犆狉；
犘 0 2 T Z j r犣o
t犣o t犔r
犔r r»r； 犔犿。

2n j r A
3电路参数的计算
试验样机的L L C谐振变换器部分的主要参数如下：输人电压1i n为直流360〜440 V;额定输人电 压为400 V;额定输出电压1〇ul为直流24 V;额定输出功率为150 W;死区时间为300 n s;串联谐 振频率为90 k H z;设定的频率变化范围为60 k H z〜 260 k H z。

设计参数如表1所示。

表1设计参数表
参数名称数值单位输入电压范围(V nmn〜V i_x)：360〜440V 额定输入电压(V i_m)：400V
输出电压l o u t)24V 最大输出功率(P o u t)：150W
谐振频率（/r)：90kHz 最大工作频率(/…»)：260kHz
最小工作频率(/m i n)：60kHz
M O SF E T零电压开通电容（C z T O)：200pF 半桥电路死区时间（乃）：300ns
由可以确定变压器匣数比
1in n o m
狀=犞^=8.33，最大频率比为犳；_1=犳^=
2 V o u t j r
2.89，最小频率比为/狀^=犳，=0.667。

计算等效负载及电感比：
0^/2
犚二8狀二 216. 36 n
n 犘o u t(m a x)
n—丄I犕m x,1一…
Q max1 —犕m ax槡 MLx-1+了 —0513
m a x 4 (1 + A )/n m a x犚(2C o s s+C p a ra s tic)
选择整个工作范围内的最大品质因数：犙< 0. 9 min (Q max1，Q m a x2)— 0. 19。

计算谐振电路的特性阻抗和谐振元件参数：犣犚—R e Q—41. 1 n；CS—…— —43 n F;犔狊—
2 / r犣U K
—72 p H;犔犘—犔狊—571 p H;实际取值C s—2n/狉A
47 n F，L s—66 p H，励磁电感犔犿一524 p H。

4控制芯片外围电路的设计
根据L6599的datasheet设置外部电路，犆犳的取值一般为几百p F到几个n F范围内，选择C/ —470 p F3。

计算犚mn ：
R m
3 C//m i n
3 X 470 X 10-12 X 60 X 103
11. 8 k n
此处R mn取12 k n。

计算R m a x：
D R m n12 X103n r ^r,
Rmax —7-------—^7^-----—3. 6 k n
j max -12601
jmn-60_
计算 容 ：
R ss —
12 X 103
300 _1
60
—3 k n
= 3 X 10_3= 3 X 10_3= .F
—R ss— 3 X 10_3—P
5变压器参数设计
变换器设计采用E T D34,磁芯材料采用国产的R2K B，初级与次级线圈采用隔离槽的方式调节漏感，将漏感作为L L C谐振变换器的串联电感，这样设计省略了单独的电感，可以将体积设计得更小。

初级最少匣数为：
1 一M m in M m —0. 126
W e a l V o+V d) — 9.2 X (24 +0. 7) X 103
2/m n ABAe— 2 X 60 X0.25 X
97
第5期颜川江等：基于
L 6599A 的LLC 半桥谐振变换器设计
101
初级线圈匝数为83匝。

由以上计算，L L C 谐振变
器如图5所示，L L C 谐振电路主变压器设计参数参见表2。

6 结束语
本文通过对L L C 谐振变换器工作原理的分析，
推导出L L C 谐振变换器的主要设计 ，分析了变
换器理想的工作频率范围以及需要避免的工作区
，计算出本设计的150W 电源的设计 及芯
片的 。

设计需要，确定了变压器
的设计
，为实现串联谐振电感的集成，
苌用
带隔离带的骨架，通过原副边的漏感来完成谐振，此 方案
小、结构简单，提高了电源的功率。

表2 L L C 谐振电路主变压器设计参数
磁芯型号
E T D 34,国磁芯 R 2K B
型号式14
感值初级电感 1. 62m H ，漏感 350 p H
参数\1'
线线
：
圏数备注初级测1/3
P10 . 2 m m X 883初级侧里层5/7八1
0 . 35 m m X 16初级侧外层级测
8/10S10 . 2 m m X 609S1，S2并绕11/13
S2
0 . 2 m m X 60
9
S1，S2并绕
87 — 91.
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+ 1
其中变压器实际变比〜al=w
9 2。

图5 L L C 谐振电路主变压器设计图
N12 = 78 = 8.47，将次级线圈设计成9胆，则
(上接第59页）
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