使用LLC 諧振拓撲降低了開關損耗，提高了電源的工作效率

在當前的全球能源危機中，重點是效率，電子產(chǎn)品正面臨著在提供高性能的同時降低功耗的艱巨挑戰(zhàn)。由于這場危機，世界各地的各種政府機構已經(jīng)或正在尋求提高其各自規(guī)格中眾多產(chǎn)品的效率標準。使用傳統(tǒng)的硬開關轉(zhuǎn)換器將難以滿足這些效率規(guī)范。電源設計人員將需要考慮軟開關拓撲以提高效率并允許更高頻率的操作。

一種這樣的拓撲是 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器。LLC 諧振拓撲允許主開關的零電壓開關，從而顯著降低開關損耗并提高效率。使用 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn) 93% 至 96% 的效率。本文將描述 LLC 諧振拓撲的操作，并說明如何實現(xiàn)如此高的效率。

諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在了很長時間。然而，直到現(xiàn)在，隨著控制器變得越來越可用，他們才看到越來越多的接受度，并且絕對需要提高效率?；蛟S了解 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的最佳方式是首先研究傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。

串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器顯示為半橋配置。在離線應用中，Vin 通常是大約 400 V 的上游功率因數(shù)校正 (PFC) 電路的輸出。諧振網(wǎng)絡由 Lr 和 Cr 組成。變壓器的初級電感被認為大到不會影響諧振網(wǎng)絡。它被稱為串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器，因為負載電阻以及整流器和濾波電路的影響可以通過變壓器的匝數(shù)比反射回初級電路。該動作有效地將負載與諧振網(wǎng)絡串聯(lián)。諧振網(wǎng)絡和反射負載電阻形成分壓器?；叵胍幌?，在一般的串聯(lián)諧振電路中，諧振網(wǎng)絡的阻抗在諧振頻率處最小。

由于轉(zhuǎn)換器是通過頻率調(diào)制來控制的，因此諧振網(wǎng)絡的阻抗將通過響應負載變化而改變開關頻率來改變。因此，可以通過改變諧振回路的阻抗來調(diào)節(jié)輸出電壓。例如，如果負載電流增加，輸出電壓將有降低的趨勢。反饋電路將感測到這種降低并將轉(zhuǎn)換器的開關頻率移向諧振，從而使施加到諧振網(wǎng)絡的更多電壓將通過負載下降，從而增加輸出電壓。

相反，如果負載電流減小，則反饋電路將使頻率遠離諧振，從而使更多的電壓在儲能電路上下降。轉(zhuǎn)換器用作分壓器這一事實意味著轉(zhuǎn)換器的動力系統(tǒng)中可以實現(xiàn)的最大增益為 1。串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢在于它可以對的主開關 Q1 和 Q2 進行零電壓。這提高了轉(zhuǎn)換器的效率，特別是在使用更高的開關頻率時。

此外，當在諧振頻率附近運行時，功率將以正弦方式通過動力傳動系進行處理 。串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的增益特性。請注意，串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器以及 LLC 將在諧振以上運行。高于諧振時，初級電流滯后于施加的電壓，并允許 Q1 和 Q2 進行零電壓切換。

串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的缺點之一，隨著負載的降低，Q 值降低，結(jié)果是頻率需要顯著增加以保持輸出穩(wěn)定。維持輸出調(diào)節(jié)的大頻率變化成為串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的一個嚴重缺點。事實上，在無負載條件下，需要無限頻率才能使輸出電壓保持穩(wěn)定。

雖然串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器通過零電壓開關提供了提高效率的優(yōu)勢，但維持調(diào)節(jié)的大頻率變化以及在空載條件下無法調(diào)節(jié)的情況凸顯了對更好的東西的需求。LLC 諧振轉(zhuǎn)換器克服了串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的缺點。

LLC 諧振轉(zhuǎn)換器在示意圖上看起來與串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器非常相似。主要區(qū)別在于，在串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器中，變壓器的初級電感非常大，以至于沒有考慮到諧振網(wǎng)絡的特性。然而，在 LLC 轉(zhuǎn)換器中，變壓器的初級電感值減小，因此它現(xiàn)在會影響諧振網(wǎng)絡。事實上，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器有兩個諧振頻率。

LLC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢立即顯現(xiàn)出來。當轉(zhuǎn)換器以較高的諧振頻率 fo 運行時，通常情況下，所有負載 (Q) 曲線都會收斂。這意味著對于極寬的負載范圍，頻率變化非常小。事實上，LLC 轉(zhuǎn)換器即使在空載條件下也可以保持輸出電壓穩(wěn)定。此外，請注意，在 fo 處，LLC 轉(zhuǎn)換器的動力系統(tǒng)表現(xiàn)出大于 1 的增益。換言之，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器克服了串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的缺點。

如上所述，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的初級電感值較低會影響諧振網(wǎng)絡。諧振電感可以由變壓器的漏感組成。在許多情況下，這消除了另一個磁性元件，從而節(jié)省了成本和印刷電路板空間。

盡管向諧振網(wǎng)絡施加方波電壓，但諧振網(wǎng)絡的濾波作用迫使通過網(wǎng)絡的電流呈正弦曲線。這意味著功率被正弦處理。由于只需要考慮基頻，因此可以大大簡化數(shù)學分析。在圖 6 中，分析電路時考慮了初級側(cè)和次級側(cè)的漏感。如果假設初級側(cè)漏感等于反射的次級側(cè)漏感，則可以進一步簡化電路。

請注意，F(xiàn)ET 漏極電流 Ids2 在變?yōu)檎皵[動為負。負電流表示體二極管導通。當 FET 的體二極管導通時，F(xiàn)ET 漏源極兩端的電壓(二極管壓降)非常小。FET 在體二極管導通期間被激活，從而導致零電壓開關并大大降低了開關損耗。可以達到 90 年代中期的轉(zhuǎn)換器效率。還要注意正弦初級電流。正弦波形將導致 EMI 特征降低。

隨著電子產(chǎn)品的效率變得越來越重要，需要考慮替代電源拓撲。通過零電壓開關和正弦電流波形降低 EMI 大大提高了效率，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器可以成為許多應用的絕佳拓撲選擇。