LLC谐振转换器的设计技巧及解决方案

桥 LLC 谐振转换器的设计技巧及解决方案 近年来，液晶电视(LCD TV)和等离子电视(PDP TV)市场迅速增长。这些市场及其它一 些市场需要具有如下功能特色的开关电源(SMPS)： 1. 150~600W 的输出功率范围。 \2. 采用有源或无源 PFC(由所需功率决定)。 3. 宽度和空间有限，无散热风扇，通风条件有限。 4. ???面向竞争激烈的消费电子市场。 5. 这就要求开关电源具有较高的功率密度和平滑的电磁干扰(EMI)信号，而且解决方案 元器件数量少、性价比高。虽然开关电源可以采用的拓扑结构众多，但双电感加单电容 (LLC)串联谐振转换器在满足这些应用要求方面拥有独特的优势。 6. 这种拓扑结构比较适合中大尺寸液晶电视输出负载范围下工作。 通常反激式拓扑结构 最适用于功率不超过 70W、面板尺寸不超过 21 英寸的应用，双反激拓扑结构则适合功 率介于 120~180W 之间、26~32 英寸的应用，而半桥 LLC 则在 120~300W 乃至更高功 率范围下都适用，适合于从中等(26~32 英寸)、较大(37 英寸)和大尺寸(大于 40 英寸) 等更宽范围的应用。 7. 此外，在 LLC 串联谐振转换器拓扑结构中，元器件数量有限，谐振储能(tank)元件能 够集成到单个变压器中，因此只需要 1 个磁性元件。在所有正常负载条件下，初级开关 都可以工作在零电压开关(ZVS)条件。而次级二极管可以采用零电流开关(ZCS)工作， 没有反向恢复损耗。总的来看，半桥 LLC 串联谐振转换器是适用于中、高输出电压转 换器的高性价比、高能效和 EMI 性能优异的解决方案。 8. 半桥 LLC 转换器中谐振电容和谐振电感的配置 9. LLC 半桥转换器的构造存在着单谐振电容(CS)和分体(split)谐振电容(CS1 和 CS2)等 不同方案。如图 1 所示。对于单谐振电容配置而言，它的输入电流纹波和均方根(RMS) 值较高，而且流经谐振电容的均方根电流较大。这种方案需要耐高压(600~1,500V)的谐 振电容。不过，这种方案也存在尺寸小、布线简单等优点。 10. 11. 图1：半桥LLC转换器的两种不同配置：(a)单谐振电容；(b)分体谐振电容。 12. 与单个谐振电容配置相比，分体谐振电容配置的输入电流纹波和均方根值较小，谐 振电容仅处理一半的均方根电流，且所用电容的电容量仅为单谐振电容的一半。当利用 钳位二极管(D3 和 D4)进行简单、廉价的过载保护时，这种方案中，谐振电容可以采用 450V 较低额定电压工作。 13. 顾名思义，半桥 LLC 转换器中包含 2 个电感(励磁电感 Lm 和串联的谐振电感 Ls)。 根据谐振电感位置的不同，谐振回路(resonant tank)也包括两种不同的配置，一种为分 立解决方案，另一种为集成解决方案。这两种解决方案各有其优缺点，采用这两种方案 的 LLC 的工作方式也有轻微差别。 14. 对于分立解决方案而言，谐振电感置于变压器外面。这使得设计灵活性也就更高， 令设计人员可以灵活设置的 Ls 和 Lm 的值；此外，EMI 幅射也更低。不过，这种解决 方案的缺点在于变压器初级和次级绕组之间的绝缘变得复杂和绕组的冷却条件变差， 并 需要组装更多元件。 15. 图2：谐振 储能元件的两种不同配置：(a)分立解决方案；(b)集成解决方案。 16. 在另一种集成的解决方案中，变压器的漏电感被用作谐振电感(LLK=LS)。这种解决 方案只需 1 个磁性元件，成本更低，而且会使得开关电源的尺寸更小。此外，变压器绕 组的冷却条件更好，且初级和次级绕组之间可以方便地实现绝缘。不过，这种解决方案 的灵活性相对较差(可用的 LS 电感范围有限)，且其 EMI 幅射更强，而初级和次级绕组 之间存在较强的邻近效应。 17. 半桥 LLC 转换器的工作状态 18. 根据负载条件的不同，LLC 转换器的频率会出现变化。对于分立谐振回路解决方案 而言，可以定义两个谐振频率，分别是串联谐振频率 Fs 和最小谐振频率 Fmin。其中， 19. LLC 转换器的工作频率取决于功率需求。功率需求较低时，工作频率相当高，超出谐振 点。相反，功率需求较高时，控制环路会降低开关频率，使其中一个谐振频率提供负载 所需大小的电流。总的来看，LLC 转换器工作在 5 种不同的工作状态，分别是：1. 在 Fs 和 Fmin 之间；2. 直接谐振在 Fs；3. 高于 Fs；4. 在 Fs 和 Fmin 之间-过载；5. 低 于 Fmin。与分立储能电路解决方案相比，集成储能电路解决方案的行为特性不同，如 漏电感 LLK 来自于变压器耦合，且 LLK 仅在变压器初级和次级之间存在能量转换时参 与谐振；此外，一旦次级二级管在零电流开关(ZCS)条件下关闭，LLK 就没有能量。对 于半桥 LLC 而言，次级二极管始终处于关闭状态。谐振电感 Ls 和励磁电感 Lm 不会象 分立谐振回路解决方案那样一起参与谐振。 集成储能电路解决方案也能够定义两种谐振 频率：Fs 和 Fmin。其中 20. 这种解决方案同样存在 5 种工作状态，分别是：1. 在 Fs 和 Fmin 之间；2. 直接在 谐振 Fs；3. 高于 Fs4. 在 Fs 和 Fmin 之间-过载；5. 低于 Fmin。 21. ， 22. 半桥 LLC 转换器建模和增益特性 23. LLC 转换器可以通过一阶基波近似来描述。但只是近似，精度有限。而在 Fs 频率 附近精度达到最高。等效电路的传递函数为： 24. 25. 这其中，Z1 和 Z2 与频率有关，由此可知 LLC 转换器的行为特性类似于与频率有关 的分频器，负载越高，励磁电感 Lm 所受到的由交流电阻 Rac 产生的钳位作用就越大。 这样一来，LLC 储能电路的谐振频率就在 Fs 和 Fmin 之间变化。在使用基波近似时， 实际的负载电阻必须修改，因为实际的谐振回路是由方波电压驱动的。相应地，转换器 的品质因数为： 26. 特性阻抗为： 27. 28. 增益为： 29. Lm/Ls 比为： 30. 31. 串联谐振频率 Fs 和最小谐振频率 Fmin 分别为： 32. 33. 34. 图3：LLC转换器的近似等效电路。 35. 图4：标准化增益特性(区域1和区域2为ZVS工作区域，区域3为ZCS工作区域)。 36. LLC 转换器所需要的工作区域是增益曲线的右侧区域(其中的负斜率意味着初级 MOSFET 工作在零电压开关 ZVS 模式下)。 当 LLC 转换器工作在 fs=1(对于分立谐振回 路解决方案而言)的状态下时，它的增益由变压器的匝数比来给定。从效率和 EMI 的角 度来讲，这个工作点最具吸引力，因为正弦初级电流、MOSFET 和次级二极管都得到 优化利用。该工作点只能在特定的工作电压和负载条件下达到(通常是在满载和额定 Vbulk 电压时)。增益特性曲线的波形及所需的工作频率范围由如下参数来确定：Lm/Ls 比(即 k)、谐振回路的特征阻抗、负载值和变压器的匝数比。可以使用 PSpice、Icap4 等任意仿真软件来进行基波近似和 AC 仿真。 37. 38.