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(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。現(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(jí)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(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。