双开关准谐振反激式转换器：经济高效的 LLC 谐振转换器替代产品 来源： 作者：Hangseok Choi 博士
选亲摘要 本文介绍了双开关准谐振 (QR) 反激式拓扑结构，这是一种经济高效、质量可靠的 LLC 谐振转换器替代产品，符合能效法规。 提议的拓扑结构具有出的效率性能，同时能保持传统反激式转换器设计简单的特点。 它在中低负载下比 LLC 谐振转换器效率更高，从而平均效率更高，最终使其符合能效法规。 它的待机功耗也比 LLC 谐振转换器更低。提议的解决方案对变压器容差和栅极驱动时序不太敏感，因此还能够以更低的成本实现更强大、更可靠的电源设计。 提议拓扑结构的有效性已在 90W 原型电源中得到了验证。
I.引言
电源设计人员正面临着设计可提供更高效率、更高功率密度、更低待机功耗以及更高可靠性的电源转换产品的挑战。一如既往，这些产品需要快速开发和推向市场，而且成本要低。 近来，LLC谐振转换器已引起注意，因为它比传统的 PWM 转换器更具优势，如高效率和低电
磁干扰 (EMI)。 然而，LLC谐振转换器复杂的设计和高昂的制造成本成为将此拓扑结构应用于要求短设计周期和低制造成本电源的障碍。 LLC谐振转换器的另一个问题是初级端需要较大的循环电流以保持零电压开关 (ZVS)，这会导致轻负载下相对较高的功耗。在采用这种拓扑结构的多项应用中，需要辅助备用电源来保证轻负载效率。 由于两个开关采用图腾柱输出配置，LLC 谐振转换器还具有固有的直通问题。 当两个开关同时导通时，由于开关噪声或电磁干扰，会导致破坏性故障。
当在前端采用功率因数校正 (PFC) 时，提高整个电源系统效率的一个常用技巧就是降低低压线路的 PFC 输出电压。 这可降低在低压线路中升压PFC的开关和电导损耗，从而提高效率。然而，下游 DC-DC 转换器需要较宽的允许输入电压范围，而 LLC谐振转换器的输入电压范围相对较窄，从而限制了这种技术的应用。
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为了克服LLC谐振转换器的局限性，特此提议双开关 QR 反激式转换器。 双开关配置几乎消除了钳位电路中的损耗，同时，QR 开关可有效降低开关损耗并实现高效率。由于允许的输入电压范围相对较宽，因此可结合低压线路中降低的PFC输出电压，进一步提高整个系统的效率。
在90W的双开关QR反激式转换器上实现并测试了本提议方案。测试结果与LLC谐振转换器进行了比较。
II.提议的解决方案
图 1显示了提议双开关 QR 反激式转换器的简化原理图。 FAN6920 是将边界导通模式 (BCM) PFC 控制器和 QR PWM 控制器结合在一起的 IC。 FAN7382是高端驱动器，用于驱动两个 MOSFET（栅极驱动信号来自 FAN6920）。 FAN6204 是一个同步整流控制器。
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图1. 双开关QR 反激式转换器的简化原理图
BCM PFC 工作模式
在BCM PFC级工作模式中，当电感电流归零时，位于连续导通和不连续导通工作的边界，开始新的开关周期，如图 2所示。 虽然相比连续导通模式 (CCM)，在边界导通模式 (BCM) 中，电感和开关设备需要更高的 RMS 电流，但它可为MOSFET和二极管提供更好的开关条件。如图3所示，升压电感限制了二极管电流的压摆率(di/dt)，这实际上消除了二极管的
反向恢复，从而可使用低成本的快速恢复二极管。当二极管电流达到零时，MOSFET 的漏极电压因 MOSFET输出电容和升压电感器之间的谐振产生振荡，如 图 3所示。 谐振振幅是PFC输出电压和瞬时 PFC 输入电压之间的差异，当输入电压低于 PFC 输出电压一半时，实现零电压开关。 当输入电压高于PFC输出电压一半时，实现接近零电压开关 (谷值开关)。
图2.BCM PFC 的电感电流波形
图3.升压功率级开关波形
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图4.升压功率级开关波形
低压线路中降低的 PFC 输出电压
通常，PFC 输出电压被设定为 400V 左右，这样可使PFC输出电压始终高于普遍范围的线电压峰值。对于低压线路，高输出电压需要非常大的占空比，以获得较大的电压增益，这
会导致 MOSFET 中具有较大的 RMS 电流。 由于 MOSFET 导通损耗与电流的平方成正比，而二极管的导通损耗与电流成正比；因此当更多的电流流经较大占空比的 MOSFET 时，会产生更多的传导损耗。 提高PFC效率的一项常用技术是降低低压线路中的 PFC输出电压。这会降低低压线路中升压PFC的开关和电导损耗，提高效率，如图 5和图 6所示。图 7显示了在低压线路中，如何使用不同的PFC输出电压设置来提高PFC效率。如图所示，较低的 PFC 输出电压时，效率更高，而在轻负载情况下，效率更高。
图5.降低PFC 输出电压的影响（之前）
图6.降低PFC 输出电压的影响（之后）
图7.不同PFC 输出电压的 PFC 级效率（115VAC）
图8.双开关QR 反激式转换器的主要波形
双开关 QR 反激式转换器
图 8显示了双开关 QR 反激式转换器的主要波形。当 MOSFET 关断时，存储在泄漏电感上的能量会使 MOSFET 产生严重的电压过冲，这需要钳位电路来限制电压。常规的单开关反激式转换器通常使用 RCD 钳位电路，该电路将泄漏电感的能量转换成热量耗散，在此造成更多的损耗以降低 MOSFET 的最大电压。 双开关反激式拓扑结构通过将泄漏电感能量循环到输入端，几乎消除了钳位电路中的损耗，MOSFET 的最大电压也钳制在输入电压。限制 MOSFET 的最大电压到输入电压，这是可靠性方面的一大优势。在使用RCD钳位电路的单开关反激式转换器中，控制 MOSFET 最大峰值电压非常困难。 它是泄漏电感和 MOSFET 电流的函数，往往超过 MOSFET的额定电压，在故障状态下，如输出短路或过载，会导致击穿 MOSFET。 钳制 MOSFET 的最大电压还可以实现较大的变压器匝数比 (NP/NS)，不会增加钳位电路的功率损耗，从而实现次级端整流器较低的电压应力。
QR开关运行可降低开关损耗，以最小的漏极电压和零电流导通 MOSFET。 虽然它并非“真正的”零电压开关，但由于开关损耗与漏极电压的平方成正比，因此它能有效地降低开关损耗。导通瞬间即可减少三分之二 (2/3) 的漏极电压，因此，开关损耗可降低九分之八 (8/9)。
绿模式
由于 FAN6920 在单个芯片上集成了 PFC 控制器和PWM控制器，因此相比使用两个单独的控制器，绿模式更易管理。通过监控 QR 反激式转换器的误差放大器输出电压可检测到轻负载状况。 由于QR PWM采用电流模式控制，因此误差放大器输出电压可指示负载状况。 在轻负载情况下，QR PWM的最小关断时间增加，可降低开关频率，同时保持谷底开关，如图 10所示。 在轻负载情况下，PFC级进入突发模式，其输出受到滞洄控制，从而最大限度地降低开关损耗。
图9.重负载情况下双开关反激式转换器的波形
图10.重负载情况下双开关反激式转换器的波形
III.实验结果
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构建并测试两个带有LLC谐振半桥转换器和双开关 QR 反激式转换器的 90 W / 19 V 电源，
表明提议方法的有效性。 表格 1 显示了每种拓扑结构的关键元件。 两种拓扑结构中，前端都使用具有相同元件的 BCM PFC。 LLC 谐振转换器的 PFC 具有固定的输出电压 (390V)，而双开关QR反激式转换器高压线路和低压线路的 PFC 输出电压分别为 250 V 和 390 V。 图 11 比较了双开关 QR 反激式和 LLC 谐振转换器的效率。 对于高压线路，即两种拓扑结构的 PFC 输出电压都是390V，在满载条件下，双开关反激式转换器的效率比 LLC 谐振转换器效率低 1％；但在轻负载条件下，双开关反激式转换器效率更高，而且平均效率（20％、50％、75％ 和 100％ 负载）也比 LLC 谐振转换器更高。 对于低压线路，在满载条件下，双开关反激式转换器的效率几乎与LLC谐振转换器相等，这是由于通过降低 PFC 输出电压而提高了 PFC 效率。 在低压线路中，双开关反激式转换器的平均效率高于 LLC 谐振转换器。 由于世界上大多数的效率指南对平均效率作出了规定，因此，更高的平均效率才能够符合这些规定。
表格 2和表格 3分别显示了双开关反激式转换器和 LLC 谐振转换器的待机功耗。双开关反激式转换器的节能性能符合能源之星 EPS 2.0版本中无负载条件下的功耗要求，该版本要求在无负载条件下功耗小于 0.5 W。 LLC谐振转换器无法满足这一要求，这主要是由于较
大的循环电流造成的。
表格1. 每种拓扑结构的关键元件
图11.图8双开关QR反激式和LLC谐振转换器的效率比较(90W/19V)
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表格2.双开关QR 反激式转换器的待机功耗
表格3. LLC 谐振转换器的的待机功耗
结论
在传统 QR 反激式转换器设计中添加高端 MOSFET 开关可带来了许多优势，如高效率和低电磁干扰 (EMI)。 虽然满载时，双开关反激式拓扑结构比 LLC谐振转换器的效率低，但它在中等和轻负载条件下的效率更高，从而平均效率也更高。由于大多数的效率标准对 100％、75％、50％ 和 20％的负载条件下的平均效率作出规定，因此更高的平均效率更容易符合效率法规。双开关 QR 反激式转换器还具有出的待机功耗性能，这对于LLC谐振转换器来说，如果没有额外的辅助电源，很难实现。由于对变压器容差和栅极驱动时序不太敏感，因此双开关QR反激式转换器可实现更强大、更可靠的电源设计。 凭借所有这些优势，在笔记本电脑适配器、LED-TV 电源、LED 照明驱动器、一体机 PC 电源、大功率充电器应用方面，双开关 QR 反激式转换器可作为传统LLC谐振转换器的有效替代。
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