詳解諧振變換器的自動頻率跟蹤技術(shù)

今天呢，主要想聊一下關(guān)于諧振變換器的自動頻率跟蹤技術(shù)，這里我們主要以LLC諧振變換器為例。對于LLC諧振變換器來，當(dāng)開關(guān)頻率等于諧振頻率時(shí)，此時(shí)變換器的效率最高，除此之外，變換器的輸出電壓不隨負(fù)載的變化而變化。因?yàn)?，在很多?yīng)用中，LLC變換器被設(shè)計(jì)工作在諧振點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)高效率變換。由于此時(shí)LLC變換器的增益為固定值與負(fù)載無關(guān)，因此該工作模式也被稱作直流變壓器（DC Transformer）工作模式。下面將介紹兩種較為典型的應(yīng)用。圖一所示是兩級車載充電機(jī)方案。該方案里，后級LLC變換器設(shè)計(jì)工作在諧振點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效率變換。為了實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)，該方案采取變母線電壓的方式即通過調(diào)節(jié)前級PFC的輸出電壓來達(dá)到對輸出電壓的調(diào)節(jié)。圖二所示為LLC變換器工作在諧振點(diǎn)在數(shù)據(jù)中心電源中的應(yīng)用。同理，輸出電壓的調(diào)節(jié)通過改變前級變換器的輸出電壓來實(shí)現(xiàn)。

圖一、兩級車載充電機(jī)方案【1】

圖二、兩級數(shù)據(jù)中心電源方案【1】

盡管如此，由于在實(shí)際工作中，諧振變換器電路參數(shù)并不是一成不變的，它會隨著工作電壓，工作電流，溫度以及老化等因素影響而發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致LLC變換器工作點(diǎn)發(fā)生偏移即沒有工作在理想的諧振點(diǎn)。因此，自動諧振頻率跟蹤技術(shù)就變得尤其重要。已有的自動頻率跟蹤技術(shù)大多存在以下一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)：1）無法適用于所有工作模態(tài)；2）無法適用于所有LLC變換器拓?fù)洌?）需要高帶寬以及高處理速度的數(shù)字控制器；4）復(fù)雜的控制電路。這里以基于副邊二極管電流的頻率跟蹤方案為例。圖三所示為LLC變換器在不同模式下的工作波形?？梢钥闯?，在小于諧振頻率工作時(shí)，二極管電流工作在斷續(xù)模式，因此它存在零電流時(shí)間。而當(dāng)變換器工作在諧振點(diǎn)時(shí)，二極管電流工作在連續(xù)模式且不存在零電流時(shí)間。因此，LLC變換器諧振頻率跟蹤可以通過判斷二極管電流是否存在為零而實(shí)現(xiàn)。顯然，這種方法最明顯的缺陷就是它不能工作在大于諧振頻率范圍內(nèi)，因?yàn)楫?dāng)LLC變換器工作在大于諧振頻率范圍內(nèi)，副邊二極管電流同樣也工作在連續(xù)模式。

（a）LLC變換器工作小于諧振頻率

（b）LLC變換器工作在諧振頻率

（c）LLC變換器工作在大于諧振頻率

圖三、LLC變換器在不同模式下的工作波形

其實(shí)通過觀察變壓器兩端電壓，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變換器工作在小于諧振頻率時(shí)，變壓器副邊電壓并不是一直被輸出電壓鉗位，而是存在一段電壓小于輸出電壓的階段如圖四所示。因此呢，我們就可以得到變壓器副邊電壓絕對值的平均值是小于輸出電壓的。那么，我們便可以根據(jù)這個(gè)特性從而實(shí)現(xiàn)對諧振頻率的跟蹤。圖五所示便是具體的頻率跟蹤步驟。首先通過檢測變壓器副邊電壓以及輸出電壓的平均值并計(jì)算它們的比值。如果這個(gè)比值小于1，那么說明LLC變換器此時(shí)工作在小于諧振頻率如圖四所示，那么我們便可以通過增加開關(guān)頻率從而實(shí)現(xiàn)對諧振頻率的跟蹤。當(dāng)計(jì)算得到的比值等于1時(shí)，變換器也有可能工作在大于諧振頻率，因?yàn)楫?dāng)變換器工作在大于諧振頻率時(shí)，變壓器副邊電壓永遠(yuǎn)被輸出電壓鉗位。這時(shí)，我們便可以通過減小開關(guān)頻率并觀察比值是否小于1，如果比值仍等于1，則變換器仍工作在大于諧振頻率。因此，諧振頻率跟蹤便可以通過減小開關(guān)頻率直到電壓比值小于1為止來實(shí)現(xiàn)。

圖四、LLC變換器小于諧振頻率時(shí)的工作波形

圖五、基于變壓器副邊電壓的頻率跟蹤技術(shù)

圖六所示為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，LLC變換器的諧振頻率為150 kHz左右，首先，變換器的起始開關(guān)頻率被設(shè)置在90 kHz來模擬當(dāng)變換器工作在小于諧振頻率時(shí)。可以看出起始階段，變壓器副邊電壓（藍(lán)色波形）并未被輸出電壓完全鉗位。因此，通過增加開關(guān)頻率來達(dá)到頻率跟蹤，可以看出在諧振點(diǎn)工作時(shí)，變壓器副邊電壓被輸出電壓完全鉗位。圖七所示為當(dāng)變換器工作在大于諧振頻率時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形?？梢钥闯?，當(dāng)變換器工作在大于諧振頻率時(shí)，變壓器與諧振點(diǎn)工作一樣，均被輸出電壓完全鉗位。因此可以通過降低開關(guān)頻率，直到變壓器副邊電壓存在不被完全鉗位的情況為止，那么諧振頻率便是上一時(shí)刻所對應(yīng)的開關(guān)頻率。

圖六、基于變壓器副邊電壓的頻率跟蹤技術(shù)的實(shí)驗(yàn)波形（小于諧振頻率）

圖七、基于變壓器副邊電壓的頻率跟蹤技術(shù)的實(shí)驗(yàn)波形（大于諧振頻率）