LLC諧振轉(zhuǎn)換器原理及設(shè)計(jì)步驟

多種類型的LED TV主功率級拓?fù)湎嗬^推出，比如非對稱半橋轉(zhuǎn)換器、雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器。其中，LLC諧振轉(zhuǎn)換器雖然相比其他轉(zhuǎn)換器具有更多優(yōu)勢，但因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)復(fù)雜困難，所以在過去很少受到關(guān)注。不過，這幾年間，IC制造商已開發(fā)出用于LLC諧振轉(zhuǎn)換器的控制器，而且發(fā)表了許多相關(guān)技術(shù)說明和設(shè)計(jì)工具，讓其設(shè)計(jì)變得更容易，并使得這種技術(shù)獲得更多的關(guān)注。現(xiàn)在，LLC諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為LED TV最流行的主功率級拓?fù)洹?/span>

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的出色優(yōu)點(diǎn)有：（1）在整個負(fù)載范圍(包括輕載)下都是以ZVS(zero voltage switching，零電壓開關(guān))條件工作，從而實(shí)現(xiàn)高效率；（2）工作頻率變化范圍比較窄，便于高頻變壓器和輸入濾波器的設(shè)計(jì)；（3）初級端所用開關(guān)的電壓應(yīng)力被鉗位在輸入電壓上，而次級端兩個二極管上的電壓始終等于中心抽頭變壓器輸出電壓的兩倍。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器可以工作在兩個不同類型的ZVS區(qū)域之內(nèi)。一個被稱為“上區(qū)域(above region)”(或上諧振工作區(qū)域)，這里，初級端的環(huán)流變小，但次級端上的二極管為硬開關(guān)。另一個是“下區(qū)域”(或下諧振工作區(qū)域)，這時(shí)，次級端上的二極管可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。本文將簡單介紹LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理和工作區(qū)域，此外還將討論其設(shè)計(jì)步驟。

圖1  LLC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理
圖1所示為LLC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路。LLC諧振轉(zhuǎn)換器一般包含一個帶MOSFET的控制器、一個諧振網(wǎng)絡(luò)和一個整流器網(wǎng)絡(luò)。控制器以50%的占空比交替為兩個MOSFET提供門信號，隨負(fù)載變化而改變工作頻率，調(diào)節(jié)輸出電壓Vout，這稱為脈沖頻率調(diào)制(PFM)。諧振網(wǎng)絡(luò)包括兩個諧振電感和一個諧振電容。諧振電感Lr、Lm與諧振電容Cr主要作為一個分壓器，其阻抗隨工作頻率而變化(見式1)，以獲得所需的輸出電壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，諧振網(wǎng)絡(luò)可由一個采用如圖2所示的分段骨架(sectional bobbin)的集成式變壓器的磁化電感Lm與漏感Llk構(gòu)成。而整流器網(wǎng)絡(luò)對諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的正弦波形進(jìn)行整流，然后傳輸?shù)捷敵黾墶?br />   (1)
式中，Vd基本近似等于Vin/2，而Rac基本近似等于8n2Vout/2πIout。
式（2）給出了采用如圖2所示的實(shí)際變壓器時(shí)，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比。在式（2）中可觀察到兩個諧振頻率。一個由Lp和Cr決定，記為ωp，另一個由Lr和Cr決定，記為ωr。利用這個公式，可獲得LLC諧振轉(zhuǎn)換器隨頻率和負(fù)載變化的增益特性曲線，如圖3所示。

圖2 采用分段骨架的集成式變壓器(a)，變壓器等效電路(b)

圖3 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的增益曲線和工作區(qū)域

圖3中，每條曲線上以符號‘＋’標(biāo)注的最高值被稱為‘峰值增益’，位于兩個諧振頻率ωp和ωr之間。當(dāng)輸出負(fù)載越來越大時(shí)，峰值增益值逐漸減小，其位置向更高頻率移動。同時(shí)，以符號‘×’標(biāo)注的ωr時(shí)的諧振增益卻是固定的，不隨輸出負(fù)載的變化而變化。增益曲線說明在ZVS狀態(tài)下，隨著諧振網(wǎng)絡(luò)的工作頻率增加，增益減小，輸出電壓降低。
(2)
式中。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域
如圖3所示，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域可標(biāo)注為“＋”的峰值增益和標(biāo)注為“×”的諧振頻率而分為三部分。首先，以峰值點(diǎn)為界，左邊是ZCS(零電流開關(guān))區(qū)(或稱為電容區(qū))，右邊是ZVS(零電壓開關(guān))區(qū)(或稱為電感區(qū))。在ZVS區(qū)，諧振頻率ωr的左邊是下區(qū)(below region)，右邊是上區(qū)域(above region)。當(dāng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作在ZCS區(qū)時(shí)，在開關(guān)瞬間有大量反向恢復(fù)電流流經(jīng)MOSFET，故LLC諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)該工作在ZVS區(qū)，要充分利用最小工作頻率的限制不讓帶MOSFET的LLC諧振轉(zhuǎn)換器進(jìn)入ZCS區(qū)。

如上所述，根據(jù)工作頻率是大于ωr還是小于ω，LLC諧振轉(zhuǎn)換器可以工作在上區(qū)域或下區(qū)域。這還取決于兩種工作模式的不同特性。當(dāng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為上區(qū)域工作時(shí)，流到MOSFET的環(huán)流小于下諧振工作上的，MOSFET的傳導(dǎo)損耗因此減小，從而提高效率。不過，次級端上的二極管為硬開關(guān)，故必須采用肖特基或UF(超快速恢復(fù))二極管來防止嚴(yán)重的反向恢復(fù)電流。鑒于此，像便攜式設(shè)備LCD的電源這樣的低壓應(yīng)用有時(shí)會考慮采用上諧振工作。另一方面，在下諧振工作的情況下，流到MOSFET的環(huán)流比上諧振工作的要大。不過下諧振工作允許次級端上的二極管進(jìn)行軟導(dǎo)通/關(guān)斷，這樣就可以采用普通的快速恢復(fù)二極管。下諧振工作是LED或PDP TV等高壓應(yīng)用的首選。這些應(yīng)用中，輸出電壓稍高，因而不能使用低額定電壓的肖特基二極管。

因此，必須根據(jù)應(yīng)用的規(guī)格和特性來選擇LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域。下一節(jié)將討論LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作區(qū)域的選擇步驟。

下諧振工作的設(shè)計(jì)步驟
圖4所示為一個LLC諧振轉(zhuǎn)換器在100%和10%負(fù)載條件下的頻域增益曲線。圖中，fop@10%load和fop@100%load 為LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作頻率，分別是在100%和10%負(fù)載條件下調(diào)節(jié)最大輸入電壓Vin,max對應(yīng)的額定輸出電壓。Mfr代表諧振頻率fr下的增益，是固定的，不隨負(fù)載變化。如上所述，諧振頻率是把ZVS區(qū)域劃分為上/下諧振工作的關(guān)鍵點(diǎn)。因此，當(dāng)把Vin,max條件下所需增益設(shè)定至大于Mfr，則即使輸入電壓和輸出負(fù)載都減小，所需增益也必然不會小于Mfr。這意味著LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作頻率小于對應(yīng)Mfr的fr，故它總是工作在下區(qū)域。下面介紹一個LED TV電源的設(shè)計(jì)步驟。其輸入電壓由PFC(功率因數(shù)校正)提供，最小、額定和最大輸入電壓分別為350、380和400Vdc，輸出規(guī)格為120V/1.5A。另外，集成式變壓器使用分段骨架，控制器采用的是帶有兩個MOSFET的FSFR系列器件，這是飛兆半導(dǎo)體專為諧振半橋型轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。

圖4 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的頻域增益曲線

● 步驟1 選擇m和fr，并計(jì)算Mfr
利用式2，諧振頻率fr下的諧振增益Mfr可由下式求得：
                  (3)
式3中，m和fr都由設(shè)計(jì)人員選擇。若選擇的m值很小，峰值增益增加，且需要較大的Lr。若m值過小，需要外部電感，因?yàn)檫@時(shí)要在集成式變壓器中獲得高值Lr實(shí)際上是相當(dāng)困難的。另一方面，如果選擇較大的m值，則峰值增益降低。由于Lr比Lp低，使用集成式變壓器十分容易。一般而言，m值在4～7之間是比較合理的。

當(dāng)m和fr分別設(shè)置為6kHz和100kHz時(shí)，求得諧振頻率下的諧振增益為1.09。

● 步驟2  確定最大增益

利用公式（4）可求出所需最小和最大增益：
Mmin=(Vvirtual/Vin,max)Mfr，Mmax=（Vvirtual/Vin，min）Mfr             (4)
式中，Mmin和Mmax分別為最小和最大增益。Vvirtual是對應(yīng)于諧振頻率的有效輸入電壓。

如前所述，如果諧振電壓下的Vvirtual被設(shè)定為大于最大輸入電壓Vin,max，則工作頻率將總是低于諧振頻率，于是設(shè)計(jì)出的LLC諧振轉(zhuǎn)換器就會工作在下諧振工作區(qū)域。

假定Virtual設(shè)為420Vdc并考慮到余裕，Mmin和Mmax可采用式4計(jì)算：
Mmin=420/400×1.1=1.16/Mmax=420/350×1.1=1.31

考慮到因負(fù)載瞬態(tài)和輸入電壓變化，峰值增益應(yīng)具有一定余裕，增加10%的余裕是比較恰當(dāng)?shù)?，故合理的Mmax值為1.45。

● 步驟3  確定集成式變壓器的匝數(shù)比

利用步驟2中求得的有效輸入電壓Vvirtual和合理的諧振增益Mfr，集成式變壓器的匝數(shù)比可由式（5）求得：
n=Vvirtual/2(Vout+VF)         (5)
式中，Vout和VF分別是次級端二極管的額定輸出電壓和正向電壓降。如果需要調(diào)節(jié)匝數(shù)比n，可回到步驟2，增加或減小有效輸入電壓Vvirtual即可。在步驟2中，Vvirtual已被設(shè)為420Vdc。VF取1Vdc，集成式變壓器的匝數(shù)比為
n=420/2(120+1)×1.1=1.9

● 步驟4 確定諧振網(wǎng)絡(luò)

圖5 根據(jù)峰值增益和不同m值找出正確的Q因子的查找表

利用圖5所示的這種查找表，能夠根據(jù)峰值增益和不同的m值找出正確的Q因子。利用m值和前面步驟中獲得的所需最大增益，可在圖5中選出正確的Q因子。一旦確定了正確的Q因子，諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)就可利用公式（6）求出。
Cr=1/(2πQfrRac），Lr=1/(2πfr)2Cr，Lp=Lr×m            (6)
這里，Cr和Lr分別為諧振電容和電感，Lp為集成式變壓器的初級端電感。

在前面的步驟中，m值選為6，考慮到了余裕的所需最大增益Mmax求得為1.45。通過圖5找出的Mmax對應(yīng)的正確Q因子為0.35。當(dāng)諧振頻率為100kHz時(shí)，諧振電容Cr為19.1nF。

考慮到出廠電容的標(biāo)準(zhǔn)值，一個22nF的電容就足夠了，最后可得Lr=115μH，Lp=690μH。