在當前的全球能源危機中,重點是提高效率,電子產(chǎn)品面臨著高性能、低耗電的嚴峻挑戰(zhàn)。由于這場危機,世界各地的各種政府機構已經(jīng)或正在考慮提高其各自規(guī)格的眾多產(chǎn)品的效率標準。用傳統(tǒng)的硬開關轉(zhuǎn)換器很難達到這些效率規(guī)格。電源設計者需要考慮軟開關拓撲,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諧振拓撲允許零電壓開關的主要開關,從而大大降低開關損失和提高效率。LLC諧振變換器可實現(xiàn)93~96%的效率。本文將描述LLC諧振拓撲的操作,并說明如何實現(xiàn)這種高效率。
共振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在了很長時間。然而,直到現(xiàn)在,隨著控制器變得更加可用,他們才看到越來越多的接受度,而且絕對需要提高效率。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)絡由Rr和CR組成。變壓器的主電感被認為是大到不影響諧振網(wǎng)絡。它被稱為系列諧振轉(zhuǎn)換器,因為負載電阻以及整流器和濾波器電路的沖擊,可以通過變壓器的轉(zhuǎn)動比被反射回原電路。這一行動有效地使負載與共振網(wǎng)絡相串聯(lián)。諧振網(wǎng)絡和反射負載電阻形成一個分壓器。在一般的串聯(lián)共振電路中,諧振網(wǎng)絡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
由于變換器是通過頻率調(diào)制控制的,所以當負載變化時,通過改變開關頻率來改變諧振網(wǎng)絡的阻抗。因此,可以通過改變諧振槽電路的阻抗來調(diào)節(jié)輸出電壓。例如,如果負載電流增加輸出電壓將有下降的趨勢.反饋電路將感知到這種降低,并將轉(zhuǎn)換器的開關頻率向共振方向移動,從而在負載上降低更多的電壓,從而增加輸出電壓。
相反地,如果負載電流減少,反饋電路將使頻率遠離共振,從而使更多的電壓通過水箱電路下降。轉(zhuǎn)換器作為分壓器工作的事實意味著在轉(zhuǎn)換器的動力系統(tǒng)中所能達到的最大增益是一個。串聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點是,它可以在圖1中的主要開關Q1和Q2上實現(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關頻率時。
此外,當在共振頻率附近操作時,電源將以正弦方式通過動力系統(tǒng)(9)進行處理。串聯(lián)諧振變換器的增益特性如圖3所示。請注意,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說明了系列諧振變換器的缺點之一。當負載減小時,Q降低,結(jié)果是頻率需要顯著增加以保持輸出調(diào)節(jié)。大頻率變化維護輸出調(diào)節(jié)成為串聯(lián)諧振變換器的一個嚴重缺陷。實際上,在無負載條件的極限下,要保持輸出電壓的調(diào)節(jié)需要無限頻率。
盡管串聯(lián)諧振變換器通過零電壓開關提供了提高效率的優(yōu)勢,但為了維持調(diào)節(jié)而發(fā)生的大頻率變化和在無負載情況下無法調(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。
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,變壓器的初級電感大到不影響諧振網(wǎng)絡的特性。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。事實上,LLC諧振變換器有兩個共振頻率,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)勢變得明顯。如圖5所示,當轉(zhuǎn)換器在上共振頻率上運行時,通常情況下,所有的負載(q)曲線都收斂。這意味著對于一個非常大的負載范圍,很少有頻率變化。實際上,LLC變換器即使在無負載情況下也能保持輸出電壓的調(diào)節(jié)。此外,請注意LLC變換器的動力系統(tǒng)的增益大于一個。換句話說,LLC諧振變換器克服了系列諧振變換器的缺點。
如上所述，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的低值一次電感會影響諧振網(wǎng)絡。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的示意圖可以簡化為如圖6所示。圖6：LLC轉(zhuǎn)換器動力傳動系的簡化圖(5)
盡管在諧振網(wǎng)絡上施加了方波電壓,但諧振網(wǎng)絡的濾波作用迫使電流通過網(wǎng)絡成為正弦。這意味著能量是正弦處理的。這使得數(shù)學分析可以大大簡化,因為只需要考慮基本頻率。在圖6中,在分析電路時考慮到主側(cè)和次側(cè)的泄漏電感。如果假設主側(cè)漏電感等于反射二次漏電感,則電路可以進一步簡化,如圖7(10)所示。
圖7:LLKP=N2LKK的等效LLC電路(6)
如圖5所示,共振頻率的增益簡化為:
由于在LLC諧振變換器中Lp仍然大于Lp,通常3-8倍,動力系統(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。在一個實用的變壓器中,測量主電感時,用二次開鎖,就會給出Lp值。當二次短路時,測量主電感會產(chǎn)生r值.在一個典型的LLC轉(zhuǎn)換器中,r值將計算為相對較大。為了消除一個額外的磁組件,泄漏電感將需要被納入主變壓器,以實現(xiàn)所需的Lr值。建立適當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。當然,滾子必須有適當?shù)拈g距以符合相關的安全規(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)換器的一個關鍵優(yōu)勢是FET和正弦功率處理的軟開關。圖9說明了LLC變換器的典型波形特征.
圖9:LLC變換器(8)的典型波形
請注意圖9中的FET排放流(IDS2)在變?yōu)檎笆秦摰?。負極電流是體二極管導電的指示.當FET的體二極管導電時,在FET的排水源上幾乎沒有電壓(二極管降)。該FET在二極管體端導電過程中被激活,導致零電壓開關,大大降低了開關損耗。90年代中期的轉(zhuǎn)換效率是可以實現(xiàn)的。也注意正弦原電流。正弦波形將導致減少的EMI信號。
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。隨著零電壓開關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用的優(yōu)良拓撲選擇。
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