研究与设计
收稿日期：２００９－１１－１２
作者简介：杨帆（１９８３—），男，吉林省人，硕士研究生，主要研究方向为电力电子平面无源磁集成。 杨
帆，杨玉岗
（辽宁工程技术大学，辽宁葫芦岛125105）
摘要：介绍了ＴＩ公司的ＬＬＣ谐振变换器控制芯片ＵＣＣ２５６００。分析了ＬＬＣ电路的工作原理和ＵＣＣ２５６００在ＬＬＣ半桥谐振式开关电源中的用法。采用磁集成技术，利用变压器的漏感和励磁电感，将谐振电感Ｌｒ集成到变压器中，减少了磁件的数量和体积，减小变压器副边漏感，以确保副边整流管实现零点流开关。最后制作了样机，实验结果表明，该ＬＬＣ谐振变换器结构简单，运行可靠，输出稳定。关键词：ＵＣＣ２５６００；ＬＬＣ谐振变换器；软开关；磁集成中图分类号：ＴＭ１３１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１０）０６－０５８９－０３
Design of LLC resonant converter based on UCC25600
YANG Fan,YANG Yu-gang
(Liaoning Technical University,Huludao Liaoning 125105,China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＬＬＣｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵＣＣ２５６００ｍａｄｅｂｙＴＩｃｏｍｐａｎｙｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＬＬＣｈａｌｆｂｒｉｄｇｅｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｔｈｅｕｓｅｏｆＵＣＣ２５６００ｉｎＬＬＣｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅ
ｌｅａｋａｇｅｉｎｄｕｃｔａｎｃｅａｎｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，
ｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｉｎｄｕｃｔｏｒｗａｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｎｔｏｔｈｅ
ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｂｙｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｒｅｄｕｃｅｄｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｎｕｍｂｅｒａｎｄｓｉｚｅｏｆｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｂｕｔａｌｓｏｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｌｅａｋａｇｅｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｏｔｈｅｒＬＬＣＩＭｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅＺＣＳｏｆｔｈｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒｄｉｏｄｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ＡＬＬＣｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａ
ｔｔｈｅＬＬＣｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｓｉｍｐｌｅｔｏｐｏｌｏｇｙ，ｓｔａｂｌｅｒｕｎｎｉｎｇ，ａｎｄｓｔｅａｄｙｏｕｔｐｕｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＣＣ２５６００；ＬＬＣｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍａｇｎｅｔｉｃLLC 谐振变换器作为谐振型软开关拓扑的一个代表，以其功率密度高、
开关损耗小等优点，已经成为近年来一个研究热点，现今工业界已将LLC 谐振变换器用于总线变换器。
高性能谐振控制模块UCC25600是TI 公司设计，用来设
计DC-DC 谐振电路，尤其是LLC 半桥谐振变换器。使用UCC25600可以很大程度上简化系统、PCB 设计，并且缩短投产时间，成本远低于当前市场流行的LLC16引脚控制芯片。表1为当前市场流行LLC 谐振变换器控制芯片横向比较。 １半桥ＬＬＣ谐振变换器
LLC 谐振变换器[1-3]的两个主开关管Q 1和Q 2构成一个半桥，如图1所示，其驱动信号是占空比固定为0.5的互补驱动信号，激磁电感L m 并不像传统串联谐振被认为是无穷大的，它参与部分阶段的谐振。变压器漏感L r 、电容C r 和变压器励
磁电感L m 构成LLC 谐振网络。在LLC 谐振变换器中有两个谐振频率，将LC 的本征谐振频率定义为:
将LLC 的本征谐振频率定义为:
为了保证原边功率MOS 管的ZVS ，副边二极管的
ZCS
研究与设计
都可以实现，工作频率在f m<f≤f r时，其工作波形如图2所示，工作过程具体描述如下。
阶段1（t0～t1）：在t0时刻Q2关断，原边谐振电流i p小于零，原边电流i p对Q2寄生电容充电，同时对Q1的寄生电容放电，当开关管Q1结电容电压为零后，电流通过开关管Q1的体二极管D s1，为Q1的零电压开通提供条件。此时，谐振电感电流开始增加，次级整流二极管D1开始导通，变压器向输出端提供能量，激磁电感L m开始被输出电压钳位。 阶段2（t1～t2）：Q1导通，原边谐振电流i p为正，并以正弦形式逐渐上升。输出电压将变压器钳位。
因此原边的谐振式发生在L r和C r之间，流过L m的励磁电流i m线性上升，输出侧电流i0是原边谐振电流和励磁电流只差再经过一个变化的换算。直到t2时刻，即i p和i m相等时，该阶段结束。此阶段类似于传统串联谐振。
阶段3（t2～t3）：t3时刻由于i p和i m相等，输出侧电流i0下降到零，于是二极管D1电流自然过零而关断，因此是零电流关断，几乎没有反向恢复的过程。同时，输出电压不再对变压器钳位，L m成为自由的谐振电感，L m与L r加在一起与C r谐振。这个谐振周期要比前一个谐振周期大得多所以在这段时间里，原边电流可以看作近似不变，L m是一个恒流源。直到Q1的门极信号S1为低电平，该阶段结束。
接下来Q2关断，其后的几个阶段重复阶段1至阶段3过程。具体每个阶段波形如图2所示。当f s=f r时，整个谐振周期电流波形是完整的正弦波，副边整流管的输出临界连续，其均方根值达到最小，变换器的导通损耗最小，在该点处变换器效率最高。
从上面的分析可以看出，原边功率MOS管实现了ZVS 开通，而关断电流是由激磁电感L m决定的，与负载无关。所以对于任何负载，开关管都可以实现ZVS关断，而当开关管关断时，原边电流比负载电流小很多，关断损耗较小。次级整流管实现了ZCS，消除了反向恢复时的寄生振荡，因此LLC谐振变换器的整体效率是较高的。
２ＵＣＣ２５６００芯片介绍
UCC25600是由TI公司生产的专门用于LLC谐振变换器控制的芯片，2008年11月份上市。内部集成的振荡器支持30～350kHz的开关频率。高精度的振荡器限制最小开关频率有4%的差额，使设计者避免设计超出功率等级，因此从长期来看减少了整体系统成本。可编程的死区时间使电路能在最小的磁化电流下实现零电压开通。在各种应用中这可以极大地提高系统效率。可编程的软启动时间使各种使用半桥拓扑的终端设备的设计机动性得到提高。
图3为芯片的模块图。图中各引脚功能介绍如下。
DT引脚，与接地电阻连接，内部集成2.25V参考电压，流过电阻的电流用来设置转换驱动信号的死区时间。为防止击穿，在引脚被突然短接地时，最小死区时间被设置为120ns。任何小于120ns的死区时间设置会自动设置为120ns。
RT引脚输出电流用来设置门级驱动信号。将光耦连接到这个引脚用来校准开关频率。并联电阻接地设置流出引脚的最小电流和最小开关频率。引脚与光耦串联一个电阻可以设置最大开关频率。
OC引脚是过电流保护端。当引脚电压高于1V时，门级驱动信号被立即拉低。当电压回落到0.6V以下，门级驱动信号以软启动形式恢复。当OC引脚电压高于2V时，芯片被锁死。当VCC引脚电压低于UVLO（低电压保护）时芯片从过电流锁死状态恢复。
SS引脚是软启动引脚。引脚与接地电容连接，用来设置系统的软启动时间。当拉低引脚电压到1V以下时，芯片的开关控制被禁止。当出现错误状态，包括过电压、欠电压、过电流保护和过温保护时，软启动操作使能。
GD1引脚和GD2引脚分别连接门级驱动的高低输入端。
图１半桥ＬＬＣ谐振变换器拓扑
图２主要工作波形
图３模块图
研究与设计
连接到门级驱动变压器的原边，用来驱动半桥电路。
GND为接地引脚。
VCC引脚是偏置电压输入端。引脚连接到小于20V的
电压源上。并联1μF电容接地可以起到滤除噪声干扰的作
用。
３电路设计
图4是基于UCC25600的LLC谐振变换器原理图。由于
谐振电流在谐振变换器启动时会出现很大的浪涌电流，导致
OC过电流引脚误操作。我们在电路中增加了三极管Q4。Q4
的门级接在SS软启动端，当变换器刚刚启动时，SS引脚电压
较低，Q4导通，R20和R23起到分压的作用，降低了OC脚的
电压，使过电流保护不会误操作。当软启动结束后，SS引脚电压升高，Q4截止，电源进入正常运行状态。
为了抑制浪涌电流，在R15两端并接C16和R16，软启动初始阶段R15、C16和R16提高了控制频率，C16用来控制C16和R16的导通时间。
４变压器磁集成［４－７］
图5是理想变压器的模型，变压器的漏感不仅仅存在于原边，也同时存在于副边，当副边存在漏感时，将会使得副边整流二极管的反向恢复问题加剧，导致副边二极管的电压应力增大，增加损耗。所以要尽量减小变压器副边漏感。
本文采用EE型磁芯在侧柱绕谐振电感，在中柱绕变压器的原副边（图6）。
图7为磁件等效电路的变换过程。图7(a)为由图6推导得到的集成磁件等效磁路图，图7(b)和图7(c)分别为集成磁件的两种工作模式。图7(d)为由图7(b)和图7(c)所示的两种工作模式推出的等效电路图。
根据图7(b)和图7(c)所示的工作模式1和工作模式2可以推出:
当给出L r、L m和N a时，可反推出L0、L1、L2、N1、N2的值，即得到集成磁件的各个参数。
５实验结果分析
在实验室完成了一台300W样机。实验主要参数：输入电压V in=400V DC；输出电压：V o=24V DC；额定输出电流：I o=12A；开关频率：f s=180kHz。
图8给出了利用UCC25600控制芯片制作的谐振变换器波形。
图６集成磁件结构图
图８谐振变换器样机的实验波形
(下转第613页)
取MEA3与MEA1的代表节点A相同位置点分析。不同温度下的应力值：S353.15=1.90MPa，S243.15=1.75MPa，S293.15= 1.82MPa。最高温度（353.15K）相对于常温下（293.15K）的应力变化率为：
最高温度（353.15K）相对于最低温度时（243.15K）的应力变化率为：
由上面结果可以看出，虽然在室温下完成装配时MEA2的应力最大，但是热力耦合效应对MEA2的影响比其他两块MEA小。
３结论
针对热力耦合因素对燃料电池电堆中关键部件MEA应力分布的影响，建立燃料电池电堆装配热力耦合三维分析模型。通过定义温度场，在螺栓上施加预紧力，分析了温度变化和螺栓预紧力对电堆装配质量的影响规律。结果表明：（1）热力耦合因素对MEA及单电池间的应力分布有显著影响；（2）常温下完成装配时MEA2的应力最大，但是热力耦合效应对其影响最小。
质子交换膜燃料电池电堆是由许多单电池串联起来的，各部件保持一致的寿命对电堆的性能很重要，上述分析表明，可以在燃料电池运行之前对电堆进行预处理以得到不同单电池的MEA应力分布较为均匀，以达到保持各部件寿命一致的目的。
参考文献：
[1]衣宝廉.燃料电池——
—原理·技术·应用[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2]LEE S J,HSU C D,HUANG C H.Analyses of the fuel cell stack
assembly pressure[J].J Power Sources，2005，145:353-361.
[3]宋霞.车用PEM燃料电池的动态特性与耐久性研究[D].武汉：武
汉理工大学，2008.
[4]ZHOU P，WU C W，MA G J.Contact resistance prediction and struc-
ture optimization of bipolar plates[J].J Power Sources，2006，159：1115-1122.
[5]LIU D A.Robust design of assembly parameters on membrane el-
ectrode assembly pressure distribution[J].Journal of Power Sources，2007，172：760-767.
[6]MISHRA V，YANG F，PITCHUMANI R.Analysis and design of
PEM fuel cells[J].Journal of Fuel Cell Science and Technology，2004，11:1.
[7]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械
工业出版社，2006.
[8]ZHANG L H.Estimation of contact resistance in proton exchange
membrane fuel cells[J].Journal of Power Sources，2006，162：1165-1171.
[9]TANG Y L.Stresses in proton exchange membranes due to hygro-
thermal loading[J].Journal of Fuel Cell Science and Technology，2006，3(2):119-124.
从图8(a)可看到MOSFET可实现零电压开通，图8(b)显示除了死区时间内由开关管的寄生电容和谐振电感发生的振荡外，在额定输入电压满载时的谐振电流基本为正弦波。６小结
介绍了TI公司的UCC25600作为LLC谐振变换器控制芯片。分析了LLC电路的工作原理和UCC25600在LLC谐振式开关电源中的用法；对谐振电感L r，励磁电感L m和变压器进行了集成，减少了磁件的数量和体积，而且可以减小变压器副边的漏感以确保副边整流管实现ZCS。最后通过实验验证了设计的可行性，并给出了实验结果。
参考文献：
[1]刘凤君.现代高频开关电源技术及应用[M].北京：电子工业出版
社，2008.
[2]陈威，吕征宇.第四类LLC谐振变流器模块功能准同构拓扑探求
及变形研究[J].中国电机工程学报，2009，29(9):35-42.
[3]赵晨，石洋，吴新科，等.三元件串联LLC谐振变流器的优化设计
策略[J].电工技术学报，2008，23(1):65-71.
[4]杨玉岗.现代电力电子的磁技术[M].北京：科学出版社，2005.
[5]陈乾宏，阮新波，严仰光.磁集成变换器的推导及磁件等效电路通
用模型[J].电力电子技术，2004，38(5):48-50.
[6]YANG B,LEE F C,ZHANG A J，et al.LLC resonant converter for
front end dc/dc conversion[J].IEEE APEC，2002（3）：1108-1112.
[7]YANG B,CHEN R,LEE F C，et al.Integrated magnetic for LLC
resonant converter[J].IEEE APEC，2002（1）：346-351.
(上接第591页)
!!!!!!!!!!!"
!!
"
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
"
!
!
"
测试与分析
