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(jí)拓?fù)湎嗬^推出,比如非對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器、雙開(kāi)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(shì),但因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)復(fù)雜困難,所以在過(guò)去很少受到關(guān)注。不過(guò),這幾年間,IC制造商已開(kāi)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(shuō)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?,F(xiàn)在,LLC諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為L(zhǎng)ED TV最流行的主功率級(jí)拓?fù)洹?/span>
LLC諧振轉(zhuǎn)換器的出色優(yōu)點(diǎn)有:(1)在整個(gè)負(fù)載范圍(包括輕載)下都是以ZVS(zero voltage switching,零電壓開(kāi)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(jí)端所用開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力被鉗位在輸入電壓上,而次級(jí)端兩個(gè)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(gè)不同類型的ZVS區(qū)域之內(nèi)。一個(gè)被稱為“上區(qū)域(above region)”(或上諧振工作區(qū)域),這里,初級(jí)端的環(huán)流變小,但次級(jí)端上的二極管為硬開(kāi)關(guān)。另一個(gè)是“下區(qū)域”(或下諧振工作區(qū)域),這時(shí),次級(jí)端上的二極管可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。本文將簡(jiǎn)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L(zhǎng)LC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路。LLC諧振轉(zhuǎn)換器一般包含一個(gè)帶MOSFET的控制器、一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)整流器網(wǎng)絡(luò)??刂破饕?0%的占空比交替為兩個(gè)MOSFET提供門信號(hào),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(gè)諧振電感和一個(gè)諧振電容。諧振電感Lr、Lm與諧振電容Cr主要作為一個(gè)分壓器,其阻抗隨工作頻率而變化(見(jiàn)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(gè)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(duì)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?jí)。
(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(gè)諧振頻率。一個(gè)由Lp和Cr決定,記為ωp,另一個(gè)由Lr和Cr決定,記為ωr。利用這個(gè)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(hào)‘+’標(biāo)注的最高值被稱為‘峰值增益’,位于兩個(gè)諧振頻率ωp和ωr之間。當(dāng)輸出負(fù)載越來(lái)越大時(shí),峰值增益值逐漸減小,其位置向更高頻率移動(dòng)。同時(shí),以符號(hào)‘×’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(shuō)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(kāi)關(guān))區(qū)(或稱為電容區(qū)),右邊是ZVS(零電壓開(kāi)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(kāi)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(guò),次級(jí)端上的二極管為硬開(kāi)關(guān),故必須采用肖特基或UF(超快速恢復(fù))二極管來(lái)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(huì)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(guò)下諧振工作允許次級(jí)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(lái)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。[!--empirenews.page--]
下諧振工作的設(shè)計(jì)步驟
圖4所示為一個(gè)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L(zhǎng)LC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(duì)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(huì)小于Mfr。這意味著LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作頻率小于對(duì)應(yīng)Mfr的fr,故它總是工作在下區(qū)域。下面介紹一個(gè)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(gè)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(guò)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(duì)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(huì)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(jí)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(jí)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(guò)圖5找出的Mmax對(duì)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(gè)22nF的電容就足夠了,最后可得Lr=115μH,Lp=690μH。