半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的配置與特性講解

等離子和液晶電視如今已經(jīng)走入了千家萬戶，這兩種電器的開關(guān)電源設(shè)計比較特殊，只能采用有源或者無源PFC模式，并且需要能夠長時間在無散熱通風(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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器當(dāng)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，這種方案也存在尺寸小、布線簡單等優(yōu)點(diǎn)。

(a)單諧振電容;(b)分體諧振電容。

圖1：半橋LLC轉(zhuǎn)換器的兩種不同配置

分體諧振電容相較于單個諧振電容而言，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僅為單諧振電容的一半。當(dāng)利用鉗位二極管(D3和D4)進(jìn)行簡單、廉價的過載保護(hù)時，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(zhuǎn)換器中包含2個電感(勵磁電感Lm和串聯(lián)的諧振電感Ls)。根據(jù)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(shè)計者提高設(shè)計的靈活性，令設(shè)計人員可以靈活設(shè)置Ls和Lm的值;此外，EMI幅射也更低。不過，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(fù)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個磁性元件，而且會使得開關(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(xiàn)絕緣。不過，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(qiáng)，而初級和次級繞組之間存在較強(qiáng)的鄰近效應(yīng)。半橋LLC轉(zhuǎn)換器建模和增益特性

LLC轉(zhuǎn)換器可以通過一階基波近似來描述。但只是近似，精度有限。而在Fs頻率附近精度達(dá)到最高。

等效電路的傳遞函數(shù)為：

這其中，Z1和Z2與頻率有關(guān)，由此可知LLC轉(zhuǎn)換器的行為特性類似于與頻率有關(guān)的分頻器，負(fù)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，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，實(shí)際的負(fù)載電阻必須修改，因?yàn)閷?shí)際的諧振回路是由方波電壓驅(qū)動的。

相應(yīng)地，轉(zhuǎn)換器的品質(zhì)因數(shù)為：

串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率Fmin分別為：

圖3：標(biāo)準(zhǔn)化增益特性（區(qū)域1和區(qū)域2為ZVS工作區(qū)域，區(qū)域3為ZCS工作區(qū)域）。

LLC轉(zhuǎn)換器所需要的工作區(qū)域是增益曲線的右側(cè)區(qū)域(其中的負(fù)斜率意味著初級MOSFET工作在零電壓開關(guān)ZVS模式下)。當(dāng)LLC轉(zhuǎn)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，它的增益由變壓器的匝數(shù)比來給定。從效率和EMI的角度來講，這個工作點(diǎn)最具吸引力，因?yàn)檎页跫夒娏鳌OSFET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(fù)載條件下達(dá)到(通常是在滿載和額定Vbulk電壓時)。

增益特性曲線的波形及所需的工作頻率范圍由如下參數(shù)來確定：Lm/Ls比(即k)、諧振回路的特征阻抗、負(fù)載值和變壓器的匝數(shù)比。可以使用PSpice、Icap4等任意仿真軟件來進(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(zhuǎn)換器而言，滿載時品質(zhì)因數(shù)Q和Lm/Ls的恰當(dāng)選擇是其設(shè)計的關(guān)鍵。這方面的選擇將影響到如下轉(zhuǎn)換器特性：

輸出電壓穩(wěn)壓所需的工作頻率范圍;

線路和負(fù)載穩(wěn)壓范圍;

諧振回路中循環(huán)能量的大小;

轉(zhuǎn)換器的效率;

在設(shè)計當(dāng)中，如果想要優(yōu)化在滿載狀態(tài)時的Q和K，就要確定如下幾個因素：效率、線路、負(fù)載穩(wěn)壓范圍。品質(zhì)因數(shù)Q直接取決于負(fù)載，它是由滿載條件下的諧振電感Ls和諧振電容CS確定的。Q因數(shù)越高，就導(dǎo)致工作頻率范圍Fop越大。Q值較高及給定負(fù)載時，特征阻抗就必須較低，因?yàn)榈蚎會導(dǎo)致穩(wěn)壓能力下降，且Q值很低的情況下LLC增益特性會退化到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(zhuǎn)換器的勵磁電流和增益也就越低;且k因數(shù)越大，所需的穩(wěn)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(nèi)取值，而且是由變壓器的構(gòu)造(針對所需的功率等級)和匝數(shù)比決定。然后，Q因數(shù)的計算由所需的額定工作頻率fs確定。這之后，k因數(shù)也必須計算出來，以確保輸出電壓穩(wěn)壓(帶有線路和負(fù)載變化)所需的增益。而在設(shè)定k因數(shù)時，可以讓轉(zhuǎn)換器在輕載時無法維持穩(wěn)壓——可以方便地使用跳周期模式來降低空載功耗。

通過對實(shí)例的講解，本文介紹了半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)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(shù)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(zhuǎn)換器的了解。