在LLC系列諧振轉(zhuǎn)換器盒之外的思考

電源行業(yè)廣泛應(yīng)用如圖 1所示的 LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (LLC-SRC)，它帶有兩個(gè)諧振電感器（兩個(gè)“L”：L m和 L r）和一個(gè)諧振電容器（一個(gè)“C ”：C r ) 作為低成本、高效率的隔離式功率級。LLC-SRC 具有軟開關(guān)特性，無需復(fù)雜的控制方案。其軟開關(guān)特性允許使用具有較低額定電壓的組件，并提供高轉(zhuǎn)換器效率。與用于其他軟開關(guān)拓?fù)洌ㄈ缫葡嗳珮蜣D(zhuǎn)換器）的控制器相比，其簡單的控制方案——具有固定 50% 占空比的可變頻率調(diào)制——需要更低的控制器成本。

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圖 1LLC-SRC

盡管 LLC-SRC 可以實(shí)現(xiàn)比硬開關(guān)反激和正激轉(zhuǎn)換器高得多的效率，但如果您想獲得最佳效率，仍然存在一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。首先，在 LLC-SRC 設(shè)計(jì)中，兩個(gè)諧振電感的比率（L m與 L r 之比）可能必須小于 10，以便提供足夠?qū)挼目煽胤秶Ｍ瑫r(shí)，您將需要 L m上的大電感來降低循環(huán)電流——這意味著您需要保持 L r電感大以保持低諧振電感比。

有趣的是，串聯(lián)諧振電感器 L r中的電流完全是交流電，沒有任何直流成分——這意味著磁通密度變化很大（ΔB 很高）。高 ΔB 意味著與交流相關(guān)的電感器損耗高。如果電感器繞在基于鐵氧體的磁芯上，磁芯氣隙附近的邊緣效應(yīng)會導(dǎo)致較高的繞組損耗。

L r上的大電感意味著更多的電感和更高的交流繞組損耗。這就是為什么許多 LLC-SRC 設(shè)計(jì)將粉鐵基磁芯應(yīng)用于諧振電感器，以在繞組損耗和磁芯損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。然而，高 ΔB 會在諧振電感器上產(chǎn)生相當(dāng)大的損耗——要么是高繞組損耗，要么是高磁芯損耗。

LLC-SRC 設(shè)計(jì)中的第二個(gè)挑戰(zhàn)是如何最好地優(yōu)化同步整流器 (SR) 控制。LLC-SRC 整流器電流傳導(dǎo)時(shí)序取決于負(fù)載條件和開關(guān)頻率。LLC-SRC SR 控制最有前途的方法是檢測 SR 場效應(yīng)晶體管 (FET) 漏源電壓 (V DS ) 并在 V DS低于或高于特定電平時(shí)打開和關(guān)閉 SR 。在V DS感測方法需要毫伏級的精度，因此只能在集成電路中實(shí)現(xiàn)。自驅(qū)動或其他低成本 SR 控制方案不適用于 LLC-SRC，因?yàn)樗鼈兊碾娏黟侂婋娙萜髫?fù)載輸出配置。因此，LLC-SRC SR 控制器電路的成本通常高于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的成本。

為了解決這兩個(gè)挑戰(zhàn)——高電感器損耗和 SR 控制——并且仍然利用諧振轉(zhuǎn)換器可以提供的大部分優(yōu)勢，請考慮使用改進(jìn)的 CLL 多諧振轉(zhuǎn)換器 (CLL-MRC)，如圖2所示。

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圖 2修改后的 CLL-MRC

與所有三個(gè)諧振元件（一個(gè)電容器和兩個(gè)電感器）都在輸入側(cè)的 CLL-MRC 不同，改進(jìn)的 CLL-MRC 將一個(gè)電感器從輸入側(cè)移動到輸出側(cè)，并將電感器放置在整流器之后 – L o，如圖2所示。這種修改允許諧振電感器上存在直流電流，這意味著較小的 ΔB 和可能較低的磁損耗。

在輸出端有一個(gè)電感器也會將輸出配置從電流饋電電容器負(fù)載配置更改為電壓饋電電感器負(fù)載配置。電壓饋電電感負(fù)載配置可實(shí)現(xiàn)低成本 SR 控制方案，因?yàn)槟梢詫㈦姼须妷河糜诟袦y信號。

圖 3說明了改進(jìn)的 CLL-MRC 的操作，其中 f sw是轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率，f r1 = {2π[C r (L r1 //L r2 )] 0.5 } -1是兩個(gè)諧振頻率之一。當(dāng) f sw低于 f r1，輸出繞組電流在開關(guān)周期結(jié)束前降至零，就像 LLC-SRC 中的輸出繞組電流一樣?，F(xiàn)在你在輸出端有一個(gè)電感。一個(gè)簡單的電容器和電阻器組可以檢測輸出電感器電壓。每次發(fā)生較大的電壓變化率 (dV/dt) 時(shí)，就是開啟或關(guān)閉 SR 的時(shí)機(jī)。因此，SR 控制方案的成本低于 V DS感測方案。

當(dāng) f sw高于 f r1 時(shí)，輸出電感電流工作在連續(xù)導(dǎo)通模式。換句話說，ΔB 變小，電感交流損耗可以小得多，轉(zhuǎn)換器效率可能比 LLC-SRC 更高。

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圖 3修改后的 CLL-MRC 關(guān)鍵波形：f sw < f r1（左）；f sw > f r1（右）

為了驗(yàn)證這些性能假設(shè)，我構(gòu)建了具有完全相同組件和參數(shù)的 LLC-SRC 和改進(jìn)的 CLL-MRC 功率級。唯一的區(qū)別是使用 72μH 電感器作為 LLC-SRC 諧振電感器，使用 1μH 電感器作為改進(jìn)的 CLL-MRC 輸出電感器。

圖 4顯示了兩個(gè)功率級的效率測量結(jié)果。在較低的輸入電壓下，f sw小于 f r1 - 因此修改后的 CLL-MRC 中的 L o電流仍處于不連續(xù)導(dǎo)通模式，具有較大的 ΔB。因此，在這種操作條件下，改進(jìn)的 CLL-MRC 沒有效率優(yōu)勢。

當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，f sw高于 f r1并且 L o電流處于連續(xù)導(dǎo)通模式。使用 430V 輸入時(shí)，改進(jìn)后的 CLL-MRC 的效率比 LLC-SRC 高 1%。此比較表明，如果您將改進(jìn)的 CLL-MRC 設(shè)計(jì)為始終在高于 f r1的頻率下運(yùn)行，則其效率性能在整個(gè)范圍內(nèi)可能優(yōu)于 LLC-SRC。

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圖 4不同輸入電壓電平下的轉(zhuǎn)換器效率：修改后的（頂部）CLL-MRC；（底部）LLC-SRC

LLC-SRC 確實(shí)是一種很好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提供了許多吸引人的功能。但根據(jù)應(yīng)用程序，它可能不是最佳解決方案。有時(shí)，您需要跳出思維定勢，以更低的電路成本實(shí)現(xiàn)更高的效率。

編輯：fqj