在當(dāng)前的全球能源危機(jī)中,重點(diǎn)是提高效率,電子產(chǎn)品面臨著高性能、低耗電的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于這場(chǎng)危機(jī),世界各地的各種政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)或正在考慮提高其各自規(guī)格的眾多產(chǎn)品的效率標(biāo)準(zhǔn)。用傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器很難達(dá)到這些效率規(guī)格。電源設(shè)計(jì)者需要考慮軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?以提高效率,并允許更高頻率的操作。

其中之一就是LLC諧振變換器。LLC諧振拓?fù)湓试S零電壓開(kāi)關(guān)的主要開(kāi)關(guān),從而大大降低開(kāi)關(guān)損失和提高效率。LLC諧振變換器可實(shí)現(xiàn)93~96%的效率。本文將描述LLC諧振拓?fù)涞牟僮?并說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)這種高效率。

共振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間。然而,直到現(xiàn)在,隨著控制器變得更加可用,他們才看到越來(lái)越多的接受度,而且絕對(duì)需要提高效率。理解LLC諧振變換器的最好方法也許是首先研究傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振變換器,如圖1所示。

圖1:系列諧振變換器(1)

在圖1中,串聯(lián)諧振變換器顯示為半橋配置。在離線應(yīng)用程序中,VIN通常是大約400V的上游功率因數(shù)校正電路的輸出。共振網(wǎng)絡(luò)由Rr和CR組成。變壓器的主電感被認(rèn)為是大到不影響諧振網(wǎng)絡(luò)。它被稱為系列諧振轉(zhuǎn)換器,因?yàn)樨?fù)載電阻以及整流器和濾波器電路的沖擊,可以通過(guò)變壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)比被反射回原電路。這一行動(dòng)有效地使負(fù)載與共振網(wǎng)絡(luò)相串聯(lián)。諧振網(wǎng)絡(luò)和反射負(fù)載電阻形成一個(gè)分壓器。在一般的串聯(lián)共振電路中,諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗在諧振頻率的最小值。如圖2所示。

圖2:系列RLC阻抗特性

由于變換器是通過(guò)頻率調(diào)制控制的,所以當(dāng)負(fù)載變化時(shí),通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)改變諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗。因此,可以通過(guò)改變諧振槽電路的阻抗來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。例如,如果負(fù)載電流增加輸出電壓將有下降的趨勢(shì).反饋電路將感知到這種降低,并將轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率向共振方向移動(dòng),從而在負(fù)載上降低更多的電壓,從而增加輸出電壓。

相反地,如果負(fù)載電流減少,反饋電路將使頻率遠(yuǎn)離共振,從而使更多的電壓通過(guò)水箱電路下降。轉(zhuǎn)換器作為分壓器工作的事實(shí)意味著在轉(zhuǎn)換器的動(dòng)力系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大增益是一個(gè)。串聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)是,它可以在圖1中的主要開(kāi)關(guān)Q1和Q2上實(shí)現(xiàn)零電壓。這提高了轉(zhuǎn)換器的效率,特別是在使用更高的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)。

此外,當(dāng)在共振頻率附近操作時(shí),電源將以正弦方式通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)(9)進(jìn)行處理。串聯(lián)諧振變換器的增益特性如圖3所示。請(qǐng)注意,系列諧振變換器以及LLC將在共振上方操作。在共振以上的主電流延遲所施加的電壓,使Q1和Q2被零電壓交換。

圖3:串聯(lián)諧振變換器(2)的直流增益特性

圖3說(shuō)明了系列諧振變換器的缺點(diǎn)之一。當(dāng)負(fù)載減小時(shí),Q降低,結(jié)果是頻率需要顯著增加以保持輸出調(diào)節(jié)。大頻率變化維護(hù)輸出調(diào)節(jié)成為串聯(lián)諧振變換器的一個(gè)嚴(yán)重缺陷。實(shí)際上,在無(wú)負(fù)載條件的極限下,要保持輸出電壓的調(diào)節(jié)需要無(wú)限頻率。

盡管串聯(lián)諧振變換器通過(guò)零電壓開(kāi)關(guān)提供了提高效率的優(yōu)勢(shì),但為了維持調(diào)節(jié)而發(fā)生的大頻率變化和在無(wú)負(fù)載情況下無(wú)法調(diào)節(jié),突出了需要更好的東西。LLC諧振變換器克服了串聯(lián)諧振變換器的缺點(diǎn)。

圖4:LLC諧振變換器(3)

如圖4所示,LLC諧振變換器在圖解上與系列諧振變換器非常相似。主要的區(qū)別是在串聯(lián)諧振變換器中,變壓器的初級(jí)電感大到不影響諧振網(wǎng)絡(luò)的特性。然而,在LLC變換器中,變壓器的主電感降低,從而影響到諧振網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上,LLC諧振變換器有兩個(gè)共振頻率,如圖5所示。

圖5:LLC諧振變換器(4)的增益特性

馬上,LLC變換器的優(yōu)勢(shì)變得明顯。如圖5所示,當(dāng)轉(zhuǎn)換器在上共振頻率上運(yùn)行時(shí),通常情況下,所有的負(fù)載(q)曲線都收斂。這意味著對(duì)于一個(gè)非常大的負(fù)載范圍,很少有頻率變化。實(shí)際上,LLC變換器即使在無(wú)負(fù)載情況下也能保持輸出電壓的調(diào)節(jié)。此外,請(qǐng)注意LLC變換器的動(dòng)力系統(tǒng)的增益大于一個(gè)。換句話說(shuō),LLC諧振變換器克服了系列諧振變換器的缺點(diǎn)。

如上所述，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的低值一次電感會(huì)影響諧振網(wǎng)絡(luò)。該諧振電感器可由變壓器的漏電電感組成。在許多情況下，這消除了另一個(gè)磁性組件，從而節(jié)省了成本和印刷電路板的空間。圖4所示的LLC的示意圖可以簡(jiǎn)化為如圖6所示。圖6：LLC轉(zhuǎn)換器動(dòng)力傳動(dòng)系的簡(jiǎn)化圖(5)

盡管在諧振網(wǎng)絡(luò)上施加了方波電壓,但諧振網(wǎng)絡(luò)的濾波作用迫使電流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)成為正弦。這意味著能量是正弦處理的。這使得數(shù)學(xué)分析可以大大簡(jiǎn)化,因?yàn)橹恍枰紤]基本頻率。在圖6中,在分析電路時(shí)考慮到主側(cè)和次側(cè)的泄漏電感。如果假設(shè)主側(cè)漏電感等于反射二次漏電感,則電路可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化,如圖7(10)所示。

圖7:LLKP=N2LKK的等效LLC電路(6)

如圖5所示,共振頻率的增益簡(jiǎn)化為:

由于在LLC諧振變換器中Lp仍然大于Lp,通常3-8倍,動(dòng)力系統(tǒng)將在共振頻率下獲得增益。

共振頻率可以用數(shù)學(xué)方式表示:

和:

LM表示磁感,LP是包括主側(cè)漏電感在內(nèi)的主電感。在一個(gè)實(shí)用的變壓器中,測(cè)量主電感時(shí),用二次開(kāi)鎖,就會(huì)給出Lp值。當(dāng)二次短路時(shí),測(cè)量主電感會(huì)產(chǎn)生r值.在一個(gè)典型的LLC轉(zhuǎn)換器中,r值將計(jì)算為相對(duì)較大。為了消除一個(gè)額外的磁組件,泄漏電感將需要被納入主變壓器,以實(shí)現(xiàn)所需的Lr值。建立適當(dāng)量的泄漏電感的方法之一是將主繞組和二次繞組并排地繞在線軸上,如圖8所示。當(dāng)然,滾子必須有適當(dāng)?shù)拈g距以符合相關(guān)的安全規(guī)格.

圖8:側(cè)繞LLC變壓器(7)

如前所述,包括LLC在內(nèi)的諧振轉(zhuǎn)換器的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是FET和正弦功率處理的軟開(kāi)關(guān)。圖9說(shuō)明了LLC變換器的典型波形特征.

圖9:LLC變換器(8)的典型波形

請(qǐng)注意圖9中的FET排放流(IDS2)在變?yōu)檎笆秦?fù)的。負(fù)極電流是體二極管導(dǎo)電的指示.當(dāng)FET的體二極管導(dǎo)電時(shí),在FET的排水源上幾乎沒(méi)有電壓(二極管降)。該FET在二極管體端導(dǎo)電過(guò)程中被激活,導(dǎo)致零電壓開(kāi)關(guān),大大降低了開(kāi)關(guān)損耗。90年代中期的轉(zhuǎn)換效率是可以實(shí)現(xiàn)的。也注意正弦原電流。正弦波形將導(dǎo)致減少的EMI信號(hào)。

隨著電子產(chǎn)品的效率變得越來(lái)越重要,需要考慮替代電源拓?fù)?。隨著零電壓開(kāi)關(guān)效率的大大提高和正弦電流波形的EMI的降低,LLC諧振變換器可以成為許多應(yīng)用的優(yōu)良拓?fù)溥x擇。