LLC變換器的設(shè)計(jì)工作原理

概述

LLC 諧振變換器因能滿足現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)苛刻的性能要求而成為電力電子領(lǐng)域的熱門話題。LLC 屬于龐大的諧振變換器拓?fù)浼易逑盗?，而諧振腔是該拓?fù)湎盗械幕A(chǔ)特征。諧振腔是一組以特定頻率（稱為諧振頻率）振蕩的電感器和電容器組成的電路。

這種開(kāi)關(guān)模式的 DC/DC 電源變換器允許采用更高的開(kāi)關(guān)頻率 (fSW) 并且降低了開(kāi)關(guān)損耗，因此更適用于高功率和高效率應(yīng)用。LLC 諧振變換器是具有精密系統(tǒng)（即高端消費(fèi)電子產(chǎn)品）或更高運(yùn)行功率要求（即為電動(dòng)汽車充電）的電源應(yīng)用理想之選。

LLC 變換器由 4 個(gè)模塊組成：電源開(kāi)關(guān)、諧振腔、變壓器和二極管整流器（參見(jiàn)圖 1）。MOSFET 功率開(kāi)關(guān)首先將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻方波；隨后方波進(jìn)入諧振腔，由諧振腔消除方波的諧波并輸出基頻的正弦波；正弦波再通過(guò)高頻變壓器傳輸?shù)阶儞Q器的副邊，并根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)電壓進(jìn)行升壓或降壓；最后，二極管整流器將正弦波轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出。

圖 1：簡(jiǎn)化 LLC 變換器的電路原理圖

LLC 變換器因其諧振特性，即使在非常高的功率下也能保持高效率。該特性同時(shí)實(shí)現(xiàn)了原邊和副邊的軟開(kāi)關(guān)功能，它降低了開(kāi)關(guān)損耗，從而提高了效率。

另外，LLC 拓?fù)溥€能夠節(jié)省電路板空間，因?yàn)樗恍枰敵鲭姼衅?。這意味著所有電感器都可以輕松集成到單個(gè)磁性結(jié)構(gòu)中，從而節(jié)省面積和成本。當(dāng)電路的所有電感元件都位于同一個(gè)結(jié)構(gòu)中時(shí)，其電磁兼容性將得到極大的改善；因?yàn)槠帘螁蝹€(gè)結(jié)構(gòu)比屏蔽三個(gè)結(jié)構(gòu)一定更容易，也更便宜。

電源開(kāi)關(guān)

電源開(kāi)關(guān)可以采用全橋或半橋拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，每種拓?fù)涠季邆渥约邯?dú)特的輸出波形（參見(jiàn)圖 2）。

圖2: 電源開(kāi)關(guān)拓?fù)?/p>

這兩種拓?fù)涞闹饕獏^(qū)別在于：全橋拓?fù)渖傻姆讲](méi)有直流偏移，幅度等于輸入電壓 (VIN).；半橋拓?fù)鋭t產(chǎn)生一個(gè)偏移 (VIN / 2)的方波，因此幅度僅為全橋波的一半。

每種拓?fù)涠加衅渥陨淼膬?yōu)缺點(diǎn)。全橋拓?fù)湫枰嗟?a target="_blank">晶體管，因此實(shí)施成本更高。而且，添加的晶體管會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)電阻(RDS(ON))增加，從而增加傳導(dǎo)損耗；但另一方面，全橋?qū)崿F(xiàn)可以將必要的變壓器匝數(shù)比 (N) 降低一半，因此可以最大限度地減少變壓器中的銅損。

半橋拓?fù)涞膶?shí)施則更具成本效益，而且，它可以將電容器兩端的 RMS 電流降低約 15%；不過(guò)，這種拓?fù)鋾?huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。

權(quán)衡利弊之后，通常建議在功率低于 1kW 的應(yīng)用中采用半橋功率開(kāi)關(guān)拓?fù)洌诟吖β蕬?yīng)用中則采用全橋拓?fù)洹?/p>

諧振腔

諧振腔由諧振電容器 (CR) 和兩個(gè)電感器組成：諧振電感器 (LR)與電容器和變壓器串聯(lián)，勵(lì)磁電感器 (LM)則與之并聯(lián)。諧振腔的作用是濾除方波的諧波，將基頻開(kāi)關(guān)頻率的正弦波輸出到變壓器的輸入端。

圖 3：帶原邊參考負(fù)載的 LLC 諧振腔示意圖

諧振腔的增益隨頻率和副邊負(fù)載而變化（參見(jiàn)圖 4）。設(shè)計(jì)人員需調(diào)整這些參數(shù)，以確保變換器在寬負(fù)載范圍內(nèi)均高效運(yùn)行。具體方法為，設(shè)計(jì)諧振腔的增益值，使其在所有負(fù)載條件下均超過(guò) 1。

圖 4：不同負(fù)載條件下的諧振增益響應(yīng)

LLC 變換器因諧振腔的雙電感器而具有寬工作范圍與高效率。要了解其原理，首先要了解諧振腔采用不同電感器時(shí)，在重載和輕載條件下的響應(yīng)。

當(dāng)諧振腔僅由諧振電容器和勵(lì)磁電感器組成時(shí)，圖 5 顯示了諧振腔在不同負(fù)載條件下的增益。在輕載下，諧振腔增益有一個(gè)明顯的峰值；但重載下的增益不僅沒(méi)有峰值，反而有阻尼響應(yīng)，并且只在非常高的頻率下才達(dá)到單位增益。

圖 5：具有并聯(lián)電感器的 LC 諧振腔增益響應(yīng)和示意圖

當(dāng)諧振腔僅由串聯(lián)的諧振電容器和諧振電感器 (LR) 組成時(shí)，結(jié)果則不同。其增益不會(huì)超過(guò) 1，但當(dāng)負(fù)載最大時(shí)，諧振腔達(dá)到單位增益的速度要比并聯(lián)電感器快得多。

圖 6：具有串聯(lián)電感器的 LC 諧振腔增益響應(yīng)和示意圖

如果諧振腔中同時(shí)帶兩種電感器，則產(chǎn)生的頻率增益響應(yīng)可確保變換器充分響應(yīng)更大的負(fù)載范圍；而且，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)負(fù)載范圍的穩(wěn)定控制（參見(jiàn)圖 4）。此時(shí)的 LLC 諧振腔具有兩個(gè)諧振頻率 (fR and fM)，可分別由公式 (1) 和公式 (2) 計(jì)算得出。

fR=12π√LR×CRfM=12π√LM+LR×CR

諧振腔的增益響應(yīng)取決于三個(gè)參數(shù)：負(fù)載、歸一化電感和歸一化頻率。

負(fù)載通過(guò)品質(zhì)因數(shù) (Q) 來(lái)表示，它取決于連接到輸出的負(fù)載。但直接采用負(fù)載值并不準(zhǔn)確，因?yàn)樵谥C振腔輸出和負(fù)載之間還有一個(gè)變壓器和一個(gè)整流器（參見(jiàn)圖 1）。因此，我們必須為負(fù)載提供一個(gè)主參考值，即 RAC. RAC 和 Q 可以分別用公式 (3) 和公式 (4) 來(lái)估算：

RAC=8xn2π×ROQ=√LR/CRRAC

歸一化頻率 (fN) 定義為 MOSFET 開(kāi)關(guān)頻率 (fSW) 與諧振腔諧振頻率 (fR)之間的比率。fN 可以通過(guò)公式 (5) 計(jì)算：

fN=fSWfR

歸一化電感 (LN)表示諧振電感和勵(lì)磁電感之間的關(guān)系，用公式 （6）來(lái)估算：

LN=LMLR

有了以上參數(shù)，就可以利用公式 (7) 來(lái)計(jì)算變換器的增益響應(yīng)了：

MG(Q,Ln,Fn)=VOUT[AC]VIN[AC]=f2N×(LN?1)(f2N?1)2+f2Nx(f2N?1)×(LN?1)2×Q2

請(qǐng)注意，以上計(jì)算均采用一次諧波分析 (FHA) 進(jìn)行。這種方法之所以適用，是因?yàn)槲覀円鸭僭O(shè) LLC 是在諧振頻率 ?(fR)內(nèi)運(yùn)行的。通過(guò)應(yīng)用傅里葉分析，諧振腔的輸入是由多個(gè)具有不同幅度和頻率的正弦波組成的方波。由于諧振腔可濾除所有與基頻 fSW頻率不同的正弦波，所以我們可以忽略除基頻正弦波之外的所有波，這可以大大簡(jiǎn)化我們的分析。

軟開(kāi)關(guān)

LLC 變換器的另一個(gè)常見(jiàn)特性是其軟開(kāi)關(guān)能力。

軟開(kāi)關(guān)功能旨在通過(guò)利用電流的自然上升與下降、以及電路內(nèi)部電壓來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗，以確保電子開(kāi)關(guān)在最有效的時(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)斷。如果在電流近似為零時(shí)開(kāi)關(guān)，稱為零電流開(kāi)關(guān) (ZCS)。如果在低電壓下開(kāi)關(guān)，稱為零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)。LLC 變換器憑借其諧振特性，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn) ZVS 和 ZCS。

圖 7 顯示了 LLC 變換器的四種基本工作模式。模式 1 和模式 3 為標(biāo)準(zhǔn)的 LLC 操作，如前文所述。在模式 1 中，電流從電源輸送到諧振腔和變壓器副邊（Q1 導(dǎo)通，Q2 關(guān)斷）。在模式 3 中，存儲(chǔ)在諧振腔中的剩余功率被傳輸?shù)阶儔浩鞯母边?，其電流的流?dòng)方向與模式 1 中相反（Q1 關(guān)斷，Q2 導(dǎo)通）。ZVS 在模式 2 和模式 4 中出現(xiàn)，此時(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)均關(guān)斷；期間，電流流過(guò)晶體管的體二極管（例如模式 2 中的 Q2，或模式 4 中的 Q1），這也稱為續(xù)流。

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圖 7：LLC 工作模式原理圖

受體二極管的小壓降限制，續(xù)流導(dǎo)致晶體管兩端的電壓 (VDS) 下降，直至接近零值。此時(shí)，兩個(gè)柵極信號(hào)都為低電平，當(dāng)電路從模式 2 轉(zhuǎn)換到模式 3 、或模式 4 轉(zhuǎn)換到模式 1 時(shí)，晶體管兩端的電壓接近于零，這最大限度地降低了開(kāi)關(guān)損耗。

圖 8：LLC 工作模式信號(hào)

結(jié)論

了解 LLC 諧振腔工作原理對(duì)設(shè)計(jì) LLC變換器至關(guān)重要。諧振腔的諧振特性使LLC變換器可以在寬負(fù)載和功率范圍內(nèi)保持高效且穩(wěn)定的運(yùn)行，因此廣受歡迎。不過(guò)，這種諧振也要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí)需非常謹(jǐn)慎，因?yàn)橹C振腔的增益響應(yīng)受大量參數(shù)的影響，其中包括負(fù)載和變換器的工作點(diǎn)（見(jiàn)公式 (7)）。

接上面：

本系列的兩篇文章將討論 LLC變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考量因素。第I部分 探討了各種電源開(kāi)關(guān)拓?fù)浜?LLC 諧振腔的特性。本文為第II部分，將介紹 LLC 變換器設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，包括增益、負(fù)載、頻率和電感。

LLC變換器增益

影響LLC 變換器增益的兩個(gè)模塊是諧振腔和變壓器。諧振腔增益是可變的，具體取決于負(fù)載 (Q)、歸一化頻率 (fN)和歸一化電感 (LN)。變換器的增益響應(yīng) (MG為Q, LN和fN的函數(shù)，通過(guò)公式 (1) 來(lái)計(jì)算：

變壓器增益則由變壓器原邊線圈的匝數(shù)與副邊線圈的匝數(shù)之比定義。該比率由變壓器的物理結(jié)構(gòu)定義，所以一旦變換器開(kāi)始工作，就不能輕易改變。

圖 1 顯示了 LLC 變換器的增益路徑。

圖 1：LLC 變換器的增益路徑

圖 2 顯示了帶變壓器的 LLC 諧振腔原理圖。

圖 2：帶變壓器的 LLC 諧振腔原理圖

變換器的總增益 (VOUT / VIN) 為兩個(gè)增益的乘積，可通過(guò)公式 (2) 來(lái)估算：

其中 n 為變壓器的匝數(shù)比，MG則為 LLC 諧振腔增益。

理想情況下，諧振腔不會(huì)放大或衰減信號(hào)，而是濾除諧波。這意味著諧振腔的標(biāo)稱增益應(yīng)為 1，并且變壓器應(yīng)是改變輸出電壓電平的唯一階段。

但實(shí)際上，LLC 變換器常用于 AC/DC變換器。AC/DC 變換器通常由一個(gè) AC/DC + PFC 轉(zhuǎn)換級(jí)和一個(gè) LLC DC/DC 變換器組成，用于將電壓降到所需的水平（參見(jiàn)圖 3）。

圖3: AC/DC變換器功能模塊

AC/DC + PFC 級(jí)將 AC 輸入電壓 (VIN) （例如來(lái)自 AC 電源的功率）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 DC 電壓，同時(shí)還保持輸入電流與 VIN 同相。PFC 級(jí)對(duì)確保設(shè)計(jì)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（包括 ISO、UNSCC、IEEE 和 CISPR）規(guī)定的各項(xiàng)功率因數(shù)規(guī)范十分必要。AC/DC + PFC 級(jí)的輸出電壓 (VOUT) 在理想情況下是穩(wěn)定的，但由于組件的非理想化， AC/DC 輸出端往往會(huì)出現(xiàn)電壓紋波，這通常是寄生電感和電容ESR導(dǎo)致的，這種電壓紋波也會(huì)出現(xiàn)在 LLC 變換器的輸入端。

由于變換器的 VIN 和變壓器固定增益帶來(lái)的變數(shù)，LLC 諧振腔需要補(bǔ)償 VIN 帶來(lái)的變化以獲得恒定的 VOUT。因此，如果 VIN 低于標(biāo)稱值，諧振腔可稍稍放大信號(hào)以產(chǎn)生最大諧振腔增益；如果 VIN 超過(guò)標(biāo)稱值，則最小諧振增益可確保變壓器原邊繞組處的電壓穩(wěn)定在標(biāo)稱值，以保持穩(wěn)定的 VOUT。

標(biāo)稱諧振增益 (MG_NOM) 可以使用公式 (3) 來(lái)計(jì)算 (MG_NOM)：

最大諧振增益 (MG_MAX) 可以使用公式 (4) 來(lái)計(jì)算：

最小諧振增益 (MG_MIN) 可以使用公式 (5) 來(lái)計(jì)算：

圖 4 顯示了 LLC 變換器的增益響應(yīng)以及所需的最大、最小和標(biāo)稱諧振腔增益值。

圖 4：LLC 變換器增益響應(yīng)

LLC變換器負(fù)載

如 第I部分所述，負(fù)載通過(guò)品質(zhì)因數(shù) (Q) 來(lái)表示，它影響諧振腔的最大增益以及峰值增益頻率。諧振腔的峰值增益隨負(fù)載的增加而降低。因此，即使在最壞的情況下(即負(fù)載最大時(shí))，滿足最大增益要求也是非常重要的。

圖 5 顯示了 LLC 變換器對(duì)一系列負(fù)載的頻率響應(yīng)。

圖 5：LLC 變換器頻率響應(yīng)

LLC變換器開(kāi)關(guān)頻率

負(fù)載對(duì)增益的影響是無(wú)法控制的，但可以通過(guò)改變 MOSFET 的開(kāi)關(guān)頻率 (fSW) 來(lái)保持電路增益。如圖 5 所示，盡管負(fù)載會(huì)影響變換器的最大增益，但增加負(fù)載也會(huì)將頻率 (fMG_MAX) 拉至更高水平，并產(chǎn)生最大增益。

圖 6 顯示了 LLC 諧振腔中一系列不同負(fù)載的最大增益點(diǎn)，以虛線繪制。這條線將增益響應(yīng)分為兩個(gè)不同的區(qū)域。在感性區(qū)域（右側(cè)），發(fā)生零電壓切換，并且增益隨著頻率的降低而增加，直至達(dá)到峰值增益頻率。然后變換器進(jìn)入容性區(qū)域（峰值增益頻率的左側(cè)），在該區(qū)域降低頻率也會(huì)降低增益。感性區(qū)域允許通過(guò)頻率變化進(jìn)行穩(wěn)定的增益控制。

圖 6：頻率響應(yīng)的容性區(qū)域和感性區(qū)域

一般不建議進(jìn)入容性區(qū)域，因?yàn)楫?dāng)?shù)瓦匨OSFET (LS-FET) (S2) 晶體管的體二極管處于反向恢復(fù)狀態(tài)時(shí)，高邊MOSFET (HS-FET) ?（S1） 可能導(dǎo)通（參見(jiàn)圖7）。這會(huì)造成潛在的半橋直通條件，從而導(dǎo)致 S2發(fā)生故障，或者，至少會(huì)降低變換器的效率。

圖 7：電源開(kāi)關(guān)中的直通電流

不同的負(fù)載產(chǎn)生不同的頻率響應(yīng)和最大增益頻率。要確定最小fSW，需要考慮最壞情況，即從最小負(fù)載轉(zhuǎn)換至最大負(fù)載時(shí)（參見(jiàn)圖 8）。當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，變換器工作在感性區(qū)域，但如果負(fù)載突然增加，工作點(diǎn)將進(jìn)入容性區(qū)域。因此，應(yīng)增加最小頻率 (fMIN) 以確保所有負(fù)載的工作點(diǎn)都保持在感性區(qū)域。

圖 8：負(fù)載轉(zhuǎn)移對(duì)工作區(qū)域的影響

因此，要建立穩(wěn)定的頻率范圍， fMIN 必須等于過(guò)載情況下變換器的最大增益頻率 (fOVERLOAD)（參見(jiàn)圖 9）。

圖 9：開(kāi)關(guān)頻率的穩(wěn)定、不穩(wěn)定和工作窗口期范圍

一旦得到變換器的最小頻率，就可以建立一個(gè)工作 fSW 范圍。變換器的最大頻率(fMAX) ?受控制器和 MOSFET 最大頻率的限制。但工作窗口期不需要很大，它可以通過(guò)最大和最小增益頻率來(lái)定義，只要處于穩(wěn)定頻率范圍即可。

LLC 諧振腔電感

歸一化 LN 定義了峰值增益斜率，該斜率標(biāo)志著感性區(qū)域和容性區(qū)域之間的界限，如圖 10 所示。在相同負(fù)載條件下，諧振腔的峰值增益取決于歸一化 LN。

圖 10：具有不同歸一化電感的 LLC 變換器的最大增益曲線

較小的 LN 可為更廣范圍的負(fù)載和操作提供高增益。另一方面，較小的 LN 也會(huì)帶來(lái)較高的磁化電流，并使效率降低。

要選擇適當(dāng)?shù)臍w一化 LN值，設(shè)計(jì)人員需要考慮負(fù)載最大時(shí)的最壞情況。LN 的選擇必須能夠提供足夠的增益來(lái)補(bǔ)償 VIN的任何缺陷，即使在過(guò)載條件下也是如此。

結(jié)語(yǔ)

LLC 變換器的設(shè)計(jì)是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過(guò)程，需要根據(jù)特定的應(yīng)用要求考慮多種因素。由于大量的參數(shù)以及這些參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)過(guò)程通?？缭蕉啻蔚c計(jì)算，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

編輯：黃飛

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