使用LLC 諧振拓?fù)浣档土碎_關(guān)損耗，提高了電源的工作效率

在當(dāng)前的全球能源危機(jī)中，重點(diǎn)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(jī)，世界各地的各種政府機(jī)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)。使用傳統(tǒng)的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器將難以滿足這些效率規(guī)范。電源設(shè)計人員將需要考慮軟開關(guān)拓?fù)湟蕴岣咝什⒃试S更高頻率的操作。

一種這樣的拓?fù)涫?LLC 諧振轉(zhuǎn)換器。LLC 諧振拓?fù)湓试S主開關(guān)的零電壓開關(guān)，從而顯著降低開關(guān)損耗并提高效率。使用 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn) 93% 至 96% 的效率。本文將描述 LLC 諧振拓?fù)涞牟僮?，并說明如何實(shí)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(yīng)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(luò)由 Lr 和 Cr 組成。變壓器的初級電感被認(rèn)為大到不會影響諧振網(wǎng)絡(luò)。它被稱為串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樨?fù)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(fù)載與諧振網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)。諧振網(wǎng)絡(luò)和反射負(fù)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(luò)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(luò)的阻抗將通過響應(yīng)負(fù)載變化而改變開關(guān)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(fù)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(guān)頻率移向諧振，從而使施加到諧振網(wǎng)絡(luò)的更多電壓將通過負(fù)載下降，從而增加輸出電壓。

相反，如果負(fù)載電流減小，則反饋電路將使頻率遠(yuǎn)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(shí)意味著轉(zhuǎn)換器的動力系統(tǒng)中可以實(shí)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(guān) Q1 和 Q2 進(jìn)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(guān)頻率時。

此外，當(dāng)在諧振頻率附近運(yùn)行時，功率將以正弦方式通過動力傳動系進(jìn)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(yùn)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(jìn)行零電壓切換。

串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)之一，隨著負(fù)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(yán)重缺點(diǎn)。事實(shí)上，在無負(fù)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(guān)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(diǎn)。

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(luò)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(luò)。事實(shí)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(dāng)轉(zhuǎn)換器以較高的諧振頻率 fo 運(yùn)行時，通常情況下，所有負(fù)載 (Q) 曲線都會收斂。這意味著對于極寬的負(fù)載范圍，頻率變化非常小。事實(shí)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(diǎn)。

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(luò)。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(luò)施加方波電壓，但諧振網(wǎng)絡(luò)的濾波作用迫使通過網(wǎng)絡(luò)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(xué)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(shè)初級側(cè)漏感等于反射的次級側(cè)漏感，則可以進(jìn)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(fù)。負(fù)電流表示體二極管導(dǎo)通。當(dāng) FET 的體二極管導(dǎo)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(dǎo)通期間被激活，從而導(dǎo)致零電壓開關(guān)并大大降低了開關(guān)損耗。可以達(dá)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(dǎo)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?fù)?。通過零電壓開關(guān)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(yīng)用的絕佳拓?fù)溥x擇。