半橋LLC諧振轉換器的配置與特性講解

等離子和液晶電視如今已經(jīng)走入了千家萬(wàn)戶(hù)，這兩種電器的開(kāi)關(guān)電源設計比較特殊，只能采用有源或者無(wú)源PFC模式，并且需要能夠長(cháng)時(shí)間在無(wú)散熱通風(fēng)的環(huán)境下工作。這就要求電源不僅要擁有高功率密度和平滑的電磁干擾信號，還要盡量少的使用元器件。而在這些方面，半橋LLC諧振轉換器擁有諸多的優(yōu)勢。

半橋LL諧振電容和諧振電感的配置

單諧振電容和分體諧振電容都存在于半橋轉換器當中。如圖1所示。對于單諧振電容配置而言，它的輸入電流紋波和均方根(RMS)值較高，而且流經(jīng)諧振電容的均方根電流較大。這種方案需要耐高壓(600~1,500V)的諧振電容。不過(guò)，這種方案也存在尺寸小、布線(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

(a)單諧振電容;(b)分體諧振電容。

圖1：半橋LLC轉換器的兩種不同配置

分體諧振電容相較于單個(gè)諧振電容而言，其輸入電流紋波和均方根值較小。諧振電容僅處理一半的均方根電流，且所用電容的電容量?jì)H為單諧振電容的一半。當利用鉗位二極管(D3和D4)進(jìn)行簡(jiǎn)單、廉價(jià)的過(guò)載保護時(shí)，這種方案中，諧振電容可以采用450V較低額定電壓工作。

顧名思義，半橋LLC轉換器中包含2個(gè)電感(勵磁電感Lm和串聯(lián)的諧振電感Ls)。根據諧振電感位置的不同，諧振回路也包括兩種不同的配置，一種為分立解決方案，另一種為集成解決方案。這兩種解決方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，采用這兩種方案的LLC的工作方式也有輕微差別。

將諧振電感安裝在變壓器外面是有目地的。其能夠幫助設計者提高設計的靈活性，令設計人員可以靈活設置Ls和Lm的值;此外，EMI幅射也更低。不過(guò)，這種解決方案的缺點(diǎn)在于，變壓器初級和次級繞組間的絕緣變得復雜，并且繞組的冷卻條件變差，并需要組裝更多元件。

(a)分立解決方案;(b)集成解決方案。

圖2：諧振儲能元件的兩種不同配置

在另一種集成的解決方案中，變壓器的漏電感被用作諧振電感(LLK=LS)。這種解決方案只需1個(gè)磁性元件，而且會(huì )使得開(kāi)關(guān)電源的尺寸更小。此外，變壓器繞組的冷卻條件更好，且初級和次級繞組之間可以方便地實(shí)現絕緣。不過(guò)，這種解決方案的靈活性相對較差(可用的LS電感范圍有限)，且其EMI幅射更強，而初級和次級繞組之間存在較強的鄰近效應。半橋LLC轉換器建模和增益特性

LLC轉換器可以通過(guò)一階基波近似來(lái)描述。但只是近似，精度有限。而在Fs頻率附近精度達到最高。

等效電路的傳遞函數為：

這其中，Z1和Z2與頻率有關(guān)，由此可知LLC轉換器的行為特性類(lèi)似于與頻率有關(guān)的分頻器，負載越高，勵磁電感Lm所受到的交流電阻Rac產(chǎn)生的鉗位作用就越大。這樣一來(lái)，LLC儲能電路的諧振頻率就在Fs和Fmin之間變化。在使用基波近似時(shí)，實(shí)際的負載電阻必須修改，因為實(shí)際的諧振回路是由方波電壓驅動(dòng)的。

相應地，轉換器的品質(zhì)因數為：

串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率Fmin分別為：

圖3：標準化增益特性（區域1和區域2為ZVS工作區域，區域3為ZCS工作區域）。

LLC轉換器所需要的工作區域是增益曲線(xiàn)的右側區域(其中的負斜率意味著(zhù)初級MOSFET工作在零電壓開(kāi)關(guān)ZVS模式下)。當LLC轉換器工作在fs=1(對于分立諧振回路解決方案而言)的狀態(tài)下時(shí)，它的增益由變壓器的匝數比來(lái)給定。從效率和EMI的角度來(lái)講，這個(gè)工作點(diǎn)最具吸引力，因為正弦初級電流、MOSFET和次級二極管都得到優(yōu)化利用。該工作點(diǎn)只能在特定的工作電壓和負載條件下達到(通常是在滿(mǎn)載和額定Vbulk電壓時(shí))。

增益特性曲線(xiàn)的波形及所需的工作頻率范圍由如下參數來(lái)確定：Lm/Ls比(即k)、諧振回路的特征阻抗、負載值和變壓器的匝數比?？梢允褂肞Spice、Icap4等任意仿真軟件來(lái)進(jìn)行基波近似和AC仿真。

圖5：分立(a)和集成(b)諧振回路解決方案的仿真原理圖。

對于LLC諧振轉換器而言，滿(mǎn)載時(shí)品質(zhì)因數Q和Lm/Ls的恰當選擇是其設計的關(guān)鍵。這方面的選擇將影響到如下轉換器特性：

輸出電壓穩壓所需的工作頻率范圍;

線(xiàn)路和負載穩壓范圍;

諧振回路中循環(huán)能量的大小;

轉換器的效率;

在設計當中，如果想要優(yōu)化在滿(mǎn)載狀態(tài)時(shí)的Q和K，就要確定如下幾個(gè)因素：效率、線(xiàn)路、負載穩壓范圍。品質(zhì)因數Q直接取決于負載，它是由滿(mǎn)載條件下的諧振電感Ls和諧振電容CS確定的。Q因數越高，就導致工作頻率范圍Fop越大。Q值較高及給定負載時(shí)，特征阻抗就必須較低，因為低Q會(huì )導致穩壓能力下降，且Q值很低的情況下LLC增益特性會(huì )退化到SRC。

而在k=Lm/Ls方面，它決定了勵磁電感中存儲多少能量。k值越高，轉換器的勵磁電流和增益也就越低;且k因數越大，所需的穩壓頻率范圍也就越大。

在實(shí)踐中，Ls(如集成變壓器解決方案的漏電感)只能在有限的范圍內取值，而且是由變壓器的構造(針對所需的功率等級)和匝數比決定。然后，Q因數的計算由所需的額定工作頻率fs確定。這之后，k因數也必須計算出來(lái)，以確保輸出電壓穩壓(帶有線(xiàn)路和負載變化)所需的增益。而在設定k因數時(shí)，可以讓轉換器在輕載時(shí)無(wú)法維持穩壓——可以方便地使用跳周期模式來(lái)降低空載功耗。

通過(guò)對實(shí)例的講解，本文介紹了半橋LLC諧振轉換器設計的部分要點(diǎn)和技巧，如配置、工作狀態(tài)、增益特性等等。不僅如此，還對一些特定的參數進(jìn)行了確定。希望本篇文章能夠幫助大家增進(jìn)對半橋LLC諧振轉換器的了解。