全橋LLC電路工作原理與設(shè)計(jì)難點(diǎn)解讀

LLC電路一般是指的是一個(gè)電感L，一個(gè)電容C，一個(gè)變壓器L，是一種通過(guò)控制開(kāi)關(guān)頻率（頻率調(diào)節(jié)）來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路?？煞譃榘霕蚝腿珮騼煞N架構(gòu)。

LLC電路的工作原理

交流方波電壓或電流加在諧振網(wǎng)絡(luò)兩端，產(chǎn)生高頻諧振，諧振電壓或電流經(jīng)過(guò)整流和濾波后，轉(zhuǎn)變成直流電壓或電流，從而實(shí)現(xiàn)直流-直流變換（DC-DC）。

LLC電路的工作原理是利用電抗（阻抗，感抗，容抗）來(lái)進(jìn)行分壓，因?yàn)楦锌?，容抗的大小都是頻率f的函數(shù)，所以隨著頻率的變化，感抗、容抗的大小就會(huì)跟隨著變化，勵(lì)磁電感上的交流分壓可以由驅(qū)動(dòng)頻率來(lái)進(jìn)行調(diào)整，傳輸?shù)酱渭?jí)經(jīng)過(guò)整流，從而得到設(shè)計(jì)所需輸出電壓。

LLC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)有哪些？

1. 磁性器件的設(shè)計(jì)遵循三個(gè)基本原則――小型化，低損耗和低成本。

在功率密度越來(lái)越高的情況下，減小磁性器件的體積是非常必要的，這會(huì)給整個(gè)模塊的布局帶來(lái)非常大的便利。為了盡可能的提高效率，改善模塊內(nèi)部散熱，磁性器件的損耗也必須盡可能的小，同時(shí)損耗的降低也使得磁性器件使用B級(jí)絕緣材料成為可能，可以進(jìn)一步降低制造成本。另外還需要從繞制工藝和工時(shí)方面考慮電感和變壓器的成本，這些都需要體現(xiàn)在磁性器件的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

磁性器件的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于損耗與熱，這兩個(gè)互為一體，同時(shí)也是整個(gè)DC/DC電路的設(shè)計(jì)最難點(diǎn)。

對(duì)于LLC諧振電路而言，由于采用調(diào)頻控制，不同的輸出電壓和負(fù)載條件都對(duì)應(yīng)著不同的工作頻率，因此磁性器件的工作范圍非常寬，工作頻率從170kHz至450kHz，在任何一個(gè)工作點(diǎn)均必須保證磁性器件的熱設(shè)計(jì)滿足降額要求或穩(wěn)定性要求，否則整流模塊的可靠性就無(wú)從保證。

磁性器件的設(shè)計(jì)遵循以下步驟：

1） 計(jì)算；

2）仿真；

3）優(yōu)化。

根據(jù)整流模塊規(guī)格書(shū)要求，結(jié)合整體布局考慮，確定磁性器件的基本尺寸（可以有多種方案），通過(guò)mathcad進(jìn)行損耗計(jì)算，從而初步得出磁性器件的損耗，進(jìn)行對(duì)比和篩選。

通過(guò)ansoft磁性器件仿真平臺(tái)，對(duì)不同方案的磁性器件進(jìn)行損耗仿真，得出不同磁芯和不同繞組結(jié)構(gòu)的損耗結(jié)果，該結(jié)果較為接近真實(shí)情況，可以對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，獲得更為優(yōu)化的方案。

根據(jù)損耗計(jì)算和仿真，進(jìn)行模塊整體布局的熱仿真實(shí)驗(yàn)，從而得出熱設(shè)計(jì)的裕量，以此為依據(jù)考慮是否要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)磁性器件或優(yōu)化模塊布局。

在上述計(jì)算和仿真的基礎(chǔ)上，打樣實(shí)物器件進(jìn)行效率和熱測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

2. 熱設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)整流模塊的可靠性，對(duì)于通信電源整流模塊而言，工作環(huán)境惡劣，通常要求在45度環(huán)溫下還能夠滿功率輸出，輸出電壓范圍寬廣，必須滿足42V～58V范圍內(nèi)的各種工作條件，由此對(duì)模塊內(nèi)部的熱設(shè)計(jì)提出了更為嚴(yán)格的要求。

對(duì)于LLC諧振電路而言，有幾個(gè)必須重點(diǎn)關(guān)注的熱風(fēng)險(xiǎn)：低壓大電流下的開(kāi)關(guān)管發(fā)熱；低壓大電流下的諧振電感發(fā)熱；低壓大電流下主變線包發(fā)熱；58V滿載條件下主變磁芯發(fā)熱。

3. 因?yàn)樵诘蛪捍箅娏鞴ぷ鳡顟B(tài)下，開(kāi)關(guān)頻率接近諧振頻率的2倍頻，開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷電流接近峰值，由此造成開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷損耗增大，造成較大的熱風(fēng)險(xiǎn)。

減小MOSFET關(guān)斷損耗的方法是在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)電容，等效的加大開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容，這樣在關(guān)斷的暫態(tài)過(guò)程中，可以延緩開(kāi)關(guān)管DS兩端電壓的上升時(shí)間，錯(cuò)開(kāi)電流下降和電壓上升的交疊區(qū)域，從而減小關(guān)斷損耗。

左圖等效的是開(kāi)關(guān)管未加并聯(lián)電容的關(guān)斷電流和電壓示意圖，i和V的交疊區(qū)域較大，損耗值也就較大，如果加了并聯(lián)吸收電容，則等效的電流和電壓波形如右圖所示，功率P的積分值會(huì)較左圖減小很多。效率的實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，在全橋的左邊橋臂和右邊橋臂各加400p的并聯(lián)電容后（在上管和下管并聯(lián)電容的效果是一樣的），輕載效率可以提高0.4％，滿載效率可以提高0.1％。但是并聯(lián)吸收電容的取值也不是越大越好，首先要保證開(kāi)關(guān)管DS電壓的上升時(shí)間不能大于死區(qū)時(shí)間，其次是較大的并聯(lián)電容可能導(dǎo)致ZVS條件的喪失，另外較大的電容會(huì)對(duì)電路的諧振參數(shù)產(chǎn)生影響。

4. 低壓大電流下諧振電感的熱問(wèn)題主要是由于開(kāi)關(guān)頻率升高磁通密度增大引起的，由于工作電壓越低開(kāi)關(guān)頻率越高，原邊電流波形越接近三角波（磁通密度隨之增大），造成了諧振電感磁芯在低輸出電壓時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，不能穩(wěn)定工作，從而影響了模塊的可靠性。

傳統(tǒng)的電感均采用骨架（有骨架磁性器件）或線包（無(wú)骨架磁性器件）緊貼磁芯中柱或邊柱的繞制方法，且采用立式放置，磁芯被包裹部分垂直于風(fēng)道方向，如下圖所示。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要有以下兩個(gè)缺陷：

1）中柱或邊柱被骨架或線包緊緊包裹，熱量易累積而得不到有效的發(fā)散；2）骨架（或線包）緊貼中柱或邊柱，導(dǎo)致磁芯被包裹部分磁通分布很不均衡，磁通密度較大的區(qū)域形成局部熱點(diǎn)，增加了磁芯內(nèi)部溫度分布的不均勻，易導(dǎo)致局部過(guò)熱。

針對(duì)以上設(shè)計(jì)難點(diǎn)，為了保證磁芯的熱穩(wěn)定性和開(kāi)關(guān)電源模塊的可靠性，采取以下新的技術(shù)方案來(lái)改善磁芯的局部熱點(diǎn)，并加強(qiáng)散熱效果，從而使磁芯的溫度保持在合理的范圍之內(nèi)。

1） 采用骨架或線包外擴(kuò)方案，降低磁芯被包裹區(qū)域的局部磁通密度，從而降低局部熱點(diǎn)；

2） 磁芯順著風(fēng)道方向側(cè)臥放置，使風(fēng)能夠直接吹到磁芯被包裹部分，從而帶走熱量，達(dá)到加強(qiáng)散熱的效果；

具體實(shí)施方法參見(jiàn)下圖：

5. 低壓大電流下主變的線包發(fā)熱主要是由于主變寄生參數(shù)與PCB寄生參數(shù)（引線電感）振蕩引起的，下圖是理想情況下主變?cè)边呺娏鞣抡娌ㄐ危?/p>

圖 11 理想條件下仿真42V×61A輸出，原邊電流和副邊波形

如果考慮主變?cè)边吢└?，原副邊寄生電容等寄生參?shù)，仿真42V×61A輸出條件下原副邊電流波形如下圖所示：

圖 11 考慮主變寄生參數(shù)仿真42V×61A輸出，原邊電流和副邊波形

圖 12 實(shí)測(cè)42V×61A輸出，原邊電流和副邊波形

由于寄生參數(shù)的存在，導(dǎo)致原副邊電流疊加了高頻振蕩諧波電流，這部分高頻振蕩電流的頻率高(6MHz)，幅值大(峰峰值20A)，考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，主變繞組在6MHz頻率點(diǎn)的交流阻抗是400kHz頻率點(diǎn)的十幾倍甚至幾十倍，因此這部分振蕩電流的存在，導(dǎo)致了主變繞組在42V輸出時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，引起了可靠性問(wèn)題。


審核編輯：劉清