LLC 轉(zhuǎn)換器中的“峰值電流模式控制”

1.前言

1978 年，當(dāng) Cecil Deisch 研究推挽式轉(zhuǎn)換器時(shí)，他面臨一個(gè)問(wèn)題，即如何平衡變壓器中的磁通并防止磁芯因脈寬調(diào)制 (PWM) 波形略微不對(duì)稱而導(dǎo)致飽和。他想出了一個(gè)解決方案，即在電壓回路中增加一個(gè)內(nèi)部電流回路，并在開(kāi)關(guān)電流達(dá)到可調(diào)閾值時(shí)讓開(kāi)關(guān)關(guān)閉。這就是峰值電流模式控制的起源。

從那時(shí)起，峰值電流模式控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于 PWM 轉(zhuǎn)換器。與傳統(tǒng)的電壓模式控制相比，峰值電流模式控制帶來(lái)了許多優(yōu)勢(shì)。例如，它將系統(tǒng)從二階變?yōu)橐浑A，簡(jiǎn)化了補(bǔ)償設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有更好負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的高環(huán)路帶寬。其他優(yōu)勢(shì)包括固有的輸入電壓前饋和出色的線路瞬態(tài)響應(yīng)、固有的逐周期電流保護(hù)、在大電流多相設(shè)計(jì)中輕松準(zhǔn)確的電流共享。

然而，對(duì)于電感-電感-電容 (LLC) 轉(zhuǎn)換器，峰值電流模式控制變得不可行。原因很明顯：因?yàn)?LLC 中的諧振電流是正弦的，所以當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)電流不在其峰值。在峰值電流瞬間關(guān)閉開(kāi)關(guān)將導(dǎo)致占空比遠(yuǎn)離 LLC 所需的 50%。

因此，雖然峰值電流模式控制已廣泛用于其他拓?fù)洌妷耗Ｊ娇刂圃?/span> LLC 應(yīng)用中仍占主導(dǎo)地位。電源工程師在享受 LLC 的高效率的同時(shí)，也會(huì)體驗(yàn)到傳統(tǒng)電壓環(huán)路控制帶來(lái)的不良瞬態(tài)性能。由于 LLC 是一個(gè)高度非線性系統(tǒng)，其特性隨運(yùn)行條件而變化。因此，設(shè)計(jì)優(yōu)化的補(bǔ)償非常困難，環(huán)路帶寬通常是有限的，負(fù)載/線路瞬態(tài)響應(yīng)可能無(wú)法滿足嚴(yán)格的規(guī)范。

2.LLC 中采用峰值電流模式控制

有沒(méi)有辦法在 LLC 中采用峰值電流模式控制？讓我們仔細(xì)看看峰值電流模式控制在 PWM 轉(zhuǎn)換器中是如何工作的。在 PWM 轉(zhuǎn)換器中，通常通過(guò)電流互感器 (CT) 感測(cè)開(kāi)關(guān)電流，然后將其與閾值進(jìn)行比較以確定 PWM 關(guān)斷時(shí)刻。CT輸出為鋸齒波，輸入電量與鋸齒波的大小成正比。這意味著我們實(shí)際上是在控制進(jìn)入功率級(jí)的電量。由于輸入電量代表輸入功率，輸入功率等于輸出功率（假設(shè)效率為100%），峰值電流模式通過(guò)控制每個(gè)開(kāi)關(guān)周期有多少電量進(jìn)入功率級(jí)來(lái)控制輸出功率。

那么我們可以在 LLC 中使用相同的概念嗎？答案是肯定的。一種直觀的方法是在每個(gè)半開(kāi)關(guān)周期對(duì)輸入電流進(jìn)行積分，這可以通過(guò)將 CT 輸出連接到一個(gè)電容器來(lái)完成，其中電容器電壓代表輸入電流的積分。幸運(yùn)的是，LLC 電路中已經(jīng)有一個(gè)集成電路。在 LLC 中，當(dāng)頂部開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，輸入電流為諧振電容充電，導(dǎo)致諧振電容電壓升高。這半個(gè)周期內(nèi)的電壓變化代表充電到諧振電容器的凈輸入電流。通過(guò)控制諧振電容器上的電壓變化，我們可以控制有多少輸入功率進(jìn)入諧振回路，從而控制輸出功率。

UCC256301 通過(guò)一種稱為混合遲滯控制 (HHC) 的新型控制方案采用了這種充電控制概念，該方案結(jié)合了充電控制和傳統(tǒng)頻率控制——它是帶有附加頻率補(bǔ)償斜坡的充電控制，就像傳統(tǒng)的峰值電流模式控制一樣斜率補(bǔ)償。

圖 1 顯示了 HHC 的詳細(xì)信息。還是有電壓回路；然而，它的輸出不是設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，而是設(shè)置比較器閾值 VTH 和 VTL。電容器分壓器（圖 1 中的 C1 和 C2）檢測(cè)諧振電容器電壓，內(nèi)部電流源 (ICOMP) 對(duì)電容器充電（當(dāng)高端柵極開(kāi)啟時(shí)）或放電（當(dāng)?shù)投藮艠O開(kāi)啟時(shí)）電容器分隔線。將檢測(cè)到的電壓信號(hào) (VCR) 與 VTH 和 VTL 進(jìn)行比較可確定柵極驅(qū)動(dòng)波形。

圖 1：UCC256301 中的 HHC

圖 2 顯示了如何生成柵極波形。當(dāng) VCR 低于 VTL 時(shí)，關(guān)閉低邊門；經(jīng)過(guò)一些死區(qū)時(shí)間后，打開(kāi)高端門。當(dāng) VCR 達(dá)到 VTH 時(shí)，關(guān)閉高端柵極；死區(qū)時(shí)間過(guò)后，打開(kāi)低側(cè)柵極。

圖 2：UCC256301 中的柵極波形

就像 PWM 轉(zhuǎn)換器中的峰值電流模式控制一樣，UCC256301 中的 HHC 通過(guò)將 LLC 功率級(jí)更改為單極系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化了補(bǔ)償設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了更高的帶寬，從而提供了出色的瞬態(tài)性能。

圖 3 和圖 4 分別比較了負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)與 HHC 和傳統(tǒng)電壓模式控制。在負(fù)載瞬態(tài)相同的情況下，電壓偏差比傳統(tǒng)的電壓模式控制小得多。  

圖 3：具有 HHC 控制的負(fù)載瞬變

憑借如此卓越的瞬態(tài)性能，我們可以在滿足給定電壓調(diào)節(jié)要求的同時(shí)降低輸出電容，從而減少物料清單數(shù)量并縮小解決方案尺寸。