LLC諧振轉換器原理及設計步驟

下諧振工作的設計步驟
圖4所示為一個LLC諧振轉換器在100%和10%負載條件下的頻域增益曲線。圖中，fop@10%load和fop@100%load 為LLC諧振轉換器的工作頻率，分別是在100%和10%負載條件下調節(jié)最大輸入電壓Vin,max對應的額定輸出電壓。Mfr代表諧振頻率fr下的增益，是固定的，不隨負載變化。如上所述，諧振頻率是把ZVS區(qū)域劃分為上/下諧振工作的關鍵點。因此，當把Vin,max條件下所需增益設定至大于Mfr，則即使輸入電壓和輸出負載都減小，所需增益也必然不會小于Mfr。這意味著LLC諧振轉換器的工作頻率小于對應Mfr的fr，故它總是工作在下區(qū)域。下面介紹一個LED TV電源的設計步驟。其輸入電壓由PFC(功率因數(shù)校正)提供，最小、額定和最大輸入電壓分別為350、380和400Vdc，輸出規(guī)格為120V/1.5A。另外，集成式變壓器使用分段骨架，控制器采用的是帶有兩個MOSFET的FSFR系列器件，這是飛兆半導體專為諧振半橋型轉換器而設計的產(chǎn)品。

圖4 LLC諧振轉換器的頻域增益曲線

● 步驟1 選擇m和fr，并計算Mfr
利用式2，諧振頻率fr下的諧振增益Mfr可由下式求得：
(3)
式3中，m和fr都由設計人員選擇。若選擇的m值很小，峰值增益增加，且需要較大的Lr。若m值過小，需要外部電感，因為這時要在集成式變壓器中獲得高值Lr實際上是相當困難的。另一方面，如果選擇較大的m值，則峰值增益降低。由于Lr比Lp低，使用集成式變壓器十分容易。一般而言，m值在4～7之間是比較合理的。

當m和fr分別設置為6kHz和100kHz時，求得諧振頻率下的諧振增益為1.09。

● 步驟2 確定最大增益

利用公式（4）可求出所需最小和最大增益：
Mmin=(Vvirtual/Vin,max)Mfr，Mmax=（Vvirtual/Vin，min）Mfr (4)
式中，Mmin和Mmax分別為最小和最大增益。Vvirtual是對應于諧振頻率的有效輸入電壓。

如前所述，如果諧振電壓下的Vvirtual被設定為大于最大輸入電壓Vin,max，則工作頻率將總是低于諧振頻率，于是設計出的LLC諧振轉換器就會工作在下諧振工作區(qū)域。

假定Virtual設為420Vdc并考慮到余裕，Mmin和Mmax可采用式4計算：
Mmin=420/400×1.1=1.16/Mmax=420/350×1.1=1.31

考慮到因負載瞬態(tài)和輸入電壓變化，峰值增益應具有一定余裕，增加10%的余裕是比較恰當?shù)?，故合理的Mmax值為1.45。

● 步驟3 確定集成式變壓器的匝數(shù)比

利用步驟2中求得的有效輸入電壓Vvirtual和合理的諧振增益Mfr，集成式變壓器的匝數(shù)比可由式（5）求得：
n=Vvirtual/2(Vout+VF) (5)
式中，Vout和VF分別是次級端二極管的額定輸出電壓和正向電壓降。如果需要調節(jié)匝數(shù)比n，可回到步驟2，增加或減小有效輸入電壓Vvirtual即可。在步驟2中，Vvirtual已被設為420Vdc。VF取1Vdc，集成式變壓器的匝數(shù)比為
n=420/2(120+1)×1.1=1.9

● 步驟4 確定諧振網(wǎng)絡

圖5 根據(jù)峰值增益和不同m值找出正確的Q因子的查找表

利用圖5所示的這種查找表，能夠根據(jù)峰值增益和不同的m值找出正確的Q因子。利用m值和前面步驟中獲得的所需最大增益，可在圖5中選出正確的Q因子。一旦確定了正確的Q因子，諧振網(wǎng)絡的參數(shù)就可利用公式（6）求出。
Cr=1/(2πQfrRac），Lr=1/(2πfr)2Cr，Lp=Lr×m (6)
這里，Cr和Lr分別為諧振電容和電感，Lp為集成式變壓器的初級端電感。

在前面的步驟中，m值選為6，考慮到了余裕的所需最大增益Mmax求得為1.45。通過圖5找出的Mmax對應的正確Q因子為0.35。當諧振頻率為100kHz時，諧振電容Cr為19.1nF。

考慮到出廠電容的標準值，一個22nF的電容就足夠了，最后可得Lr=115μH，Lp=690μH。