電源提示：為什么我們的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器頻率偏高

時(shí)間：2022-04-09 14:20:02

關(guān)鍵字： LLC諧振頻率

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[導(dǎo)讀]隨著開關(guān)電源的發(fā)展，軟開關(guān)技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，已研究出了不少高效率的電路拓?fù)?，主要為諧振型的軟開關(guān)拓?fù)浜蚉WM型的軟開關(guān)拓?fù)?。近幾年來，隨著半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，寄生電容和反向恢復(fù)時(shí)間越來越小了，這為諧振變換器的發(fā)展提供了又一次機(jī)遇。對(duì)于諧振變換器來說，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)變換，從而使得開關(guān)電源具有較高的效率。LLC諧振變換器實(shí)際上來源于不對(duì)稱半橋電路，后者用調(diào)寬型(PWM)控制，而LLC諧振是調(diào)頻型（PFM）。

隨著開關(guān)電源的發(fā)展，軟開關(guān)技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，已研究出了不少高效率的電路拓?fù)?，主要為諧振型的軟開關(guān)拓?fù)浜?/span>PWM型的軟開關(guān)拓?fù)?。近幾年來，隨著半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，寄生電容和反向恢復(fù)時(shí)間越來越小了，這為諧振變換器的發(fā)展提供了又一次機(jī)遇。對(duì)于諧振變換器來說，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)變換，從而使得開關(guān)電源具有較高的效率。LLC諧振變換器實(shí)際上來源于不對(duì)稱半橋電路，后者用調(diào)寬型(PWM)控制，而LLC諧振是調(diào)頻型（PFM）。

LLC諧振變換器因其能夠在寬輸入和負(fù)載變化下工作而在工業(yè)應(yīng)用中獲得很多關(guān)注。在傳統(tǒng)的PWM轉(zhuǎn)換器中，功率開關(guān)以硬開關(guān)模式工作，具有高開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI）。但在LLC諧振變換器中，開關(guān)管可以通過零電壓開關(guān)（ZVS）導(dǎo)通，輸出整流二極管也可以通過零電流開關(guān)（ZCS）關(guān)閉，從而最大限度地減少損耗。因此高頻、高功率密度、高效率變換器變得可行。

我們是否想過為什么在某些設(shè)計(jì)中測得的 LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (LLC-SRC) 的開關(guān)頻率 (f sw ) 與我們的計(jì)算相差甚遠(yuǎn)？

為了理解這種差異的原因，讓我們從一個(gè)基本的隔離式 LLC-SRC 開始，如圖 1 所示。一個(gè)基本的隔離式 LLC-SRC 由一個(gè)半橋（S 1、S 2）、一個(gè)諧振電容器（C r）、一個(gè)諧振電感（L r）和一個(gè)理想變壓器（L m作為磁化電感）。大多數(shù) AC/DC 電源設(shè)計(jì)人員使用正弦近似對(duì)這種基本隔離式 LLC-SRC 進(jìn)行線性化，以獲得輸入至輸出電壓增益并預(yù)測不同條件下的開關(guān)頻率。當(dāng) f sw接近較高的諧振頻率（fr=1/(2π(L r C r) 0.5 )。

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圖 1：基本隔離式 LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器

但是，我們可能會(huì)注意到，在我們的某些設(shè)計(jì)中，測得的開關(guān)頻率與使用上述線性化過程的計(jì)算結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。那么為什么計(jì)算結(jié)果和測量結(jié)果之間仍然存在差異呢？

如果我們仔細(xì)檢查線性化過程的假設(shè)，我們會(huì)注意到它假設(shè)一個(gè)沒有漏感的理想變壓器。因此，考慮到實(shí)際變壓器中不可避免的漏感，我們的測量和計(jì)算之間將存在差異。當(dāng)使用單個(gè)集成變壓器（例如變壓器漏感）作為諧振電感L r時(shí)，差異顯著增加，因?yàn)樽儔浩鞯拇呕姼胁辉龠h(yuǎn)大于其漏感。要解決此問題，我們需要使用如圖 2 所示的變壓器模型來改造變壓器。

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圖 2：具有集成變壓器的隔離式 LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器

如果將輸出繞組開路時(shí)變壓器的初級(jí)電感定義為L p，將輸出繞組短路時(shí)的變壓器漏感定義為L lk ，則可以表示L m，L r1，L之間的關(guān)系p和 L lk如公式 1 至 3 所示。其中 k XFMR 是變壓器耦合系數(shù)。

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通過使用圖 2 中的集成變壓器模型和上面的方程，我們可以檢查計(jì)算和測量之間的差異。

適用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的低壓寬輸入 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器（12V/10A）TI Designs 參考設(shè)計(jì)可在寬輸入范圍（100V AC至 132V AC）下運(yùn)行，并包含一個(gè)集成變壓器。為了保持良好的輸出規(guī)定，參考設(shè)計(jì)中的 L p /L lk (86.9μH/22.3μH = 3.9) 比低于常見的離線 LLC-SRC 設(shè)計(jì)。低 L p /L lk比率使變壓器遠(yuǎn)非理想，因此，此設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的示例，可以說明如果在具有不良耦合變壓器的 LLC-SRC 上使用圖 1 中的模型，我們將獲得多少差異。

圖 3 顯示了基于圖 1 的計(jì)算結(jié)果（假設(shè) L lk = L r和 L m = L p -L lk），以及圖 2 的模型和測量結(jié)果。測試時(shí) 12V 輸出負(fù)載 6A。