LLC諧振轉(zhuǎn)換器之分析

LLC諧振轉(zhuǎn)換器中的輸出電壓調(diào)節(jié)

對于采用零電壓開關(guān)的諧振轉(zhuǎn)換器，在設(shè)計諧振電路時必須確保電流波形始終滯后于電壓波形。這種情況在負載為電感型時發(fā)生，并且頻率高于諧振頻率。在增益特性方面，電壓增益隨頻率下降?？刂齐娐房赏ㄟ^改變輸入方波的頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，這會改變系統(tǒng)增益，從而產(chǎn)生調(diào)節(jié)過的輸出電壓。

最理想的情況是，增益特性與負載條件無關(guān)，而且增益和頻率范圍都應該很易于調(diào)節(jié)?？上У氖?，這些特性都極難實現(xiàn)。以標準諧振轉(zhuǎn)換器為例，串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的負載范圍很窄，因為增益特性隨負載變化很大；而并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍很窄，輕載下效率也很低。LLC轉(zhuǎn)換器則可以避免這些問題。

標準諧振轉(zhuǎn)換器中有兩個組件決定諧振頻率：電感 (L) 和電容 (C)。LLC轉(zhuǎn)換器是串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器，有一個額外的電感 (L) 與其它兩個組件串聯(lián)，故名為L-L-C轉(zhuǎn)換器。圖1所示的諧振電路即是一個LLC轉(zhuǎn)換器電路。在該電路中，Cr 為諧振電容。兩個電感值分別為集成式變壓器的勵磁電感(Lm) 和總漏電感 (Llkp 加 Llks)。在某些情況下，第二個電感值可以由一個外部獨立電感來實現(xiàn)，這種通常用于更高的功率級。

相比其他諧振轉(zhuǎn)換器，LLC 轉(zhuǎn)換器在變化負載條件下具有良好的調(diào)節(jié)性能。它要求線路輸入電壓控制良好，故一般需要PFC 前端高性能工作。業(yè)界對它的了解遠不及雙管正激拓撲。它的頻率范圍比雙管正激拓撲寬，但比其它諧振轉(zhuǎn)換器要窄得多。

圖2顯示了一個LLC轉(zhuǎn)換器的增益特性。在增益與頻率的關(guān)系圖中，給出了不同負載條件下的增益曲線。LLC 轉(zhuǎn)換器有兩個諧振頻率。如箭頭所指，較低的諧振頻率在60kHz左右；較高的則為100kHz。所有曲線，不論負載如何，都相交于第二個諧振頻率處。

對于這種設(shè)計，諧振頻率下的增益為1.2。因此如果輸出電壓設(shè)定為12V、匝數(shù)比為40:1，那么這將出現(xiàn)在400V輸入電壓下。不論負載如何，忽略損耗情況，頻率將保持不變。

為了便于說明，我們假設(shè)輸入電壓上升到480V，這時控制電路必需把增益降低到1.0，才能保持12V的輸出電壓。在這種情況下，頻率將在滿載下的115kHz和 20% 負載條件下的130kHz之間變化，從圖中可看出，正是對應的負載條件下的增益曲線與增益＝1.0這條線相交處的頻率。

這顯示出當偏離設(shè)計的輸入工作電壓時， 頻率便會發(fā)生一些變化，輕負載下開關(guān)損耗就會增加?？偠灾?，LLC轉(zhuǎn)換器在恒定輸入電壓下工作性能最好，比如由 PFC 級提供電壓。通過設(shè)計，它們可適用于某個地區(qū)的電壓輸入范圍，比如195VAC – 265VAC。

圖2：LLC諧振轉(zhuǎn)換器增益曲線示例

對于更高的功率級，它通常都帶有功率因數(shù)校正 (PFC) 前端級。LLC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計使得幾乎在所有工作條件下PFC級都產(chǎn)生恒定輸出電壓，在此電壓下，頻率不隨負載改變而變化。對于缺失輸入半波的情況下，就需要一些額外的增益，這就是所謂的“保持” (hold-up) 時間要求。

采用FSFR2100的電路實例

圖3所示為采用FSFR2100實現(xiàn)的LLC諧振轉(zhuǎn)換器，輸入由PFC級提供。它采用26mm x 10.5mm x 3.2mm的超小型封裝，集成了600V高壓控制IC和2個600V MOSFET。這種諧振轉(zhuǎn)換器的效率相當高，無需散熱器即可處理高達200W的功率，從而使設(shè)計更為緊湊。而標準拓撲必需散熱器才能處理200W電源。

圖3：采用FSFR2100的典型LLC諧振轉(zhuǎn)換器電路

組件Rdamp、Dboot 和 CHVcc構(gòu)成內(nèi)部驅(qū)動高端MOSFET所需的自舉式 (bootstrap) 電路，可以利用一個電阻 (Rsense) 和濾波電路 (RLPF 與 CLPF) 來感測電流，以檢測正常和非正常過流情況。正常過流保護電路有1.5 us的延時，而非正常過流保護電路延時為50ns。非正常過流保護電路可迅速檢測出嚴重的故障，例如輸出二極管短路。過流保護容忍激活之前輸出端的暫時過載，時間由CON引腳上的定時電容CB (帶1.5us的固定延時，以消除噪聲) 決定。

CON引腳還可控制LLC控制器的開和關(guān)。FSFR2100帶有突發(fā)模式，該模式會先有一連串的諧振活動發(fā)生，然后就有一段無開關(guān)期，這樣可以提高輕載條件下的效率。CON控制用于進一步提升帶有輔助電源電路的待機性能。如果沒有輔助電源，器件便由一個輔助線圈供電。當LVcc電壓過大時，過壓保護電路會關(guān)斷器件。在器件由輔助線圈供電的應用中，它可用作輸出過壓保護電路。

圖中顯示的LLC諧振電路如前所述。在這個例子中，輸出整流模塊使用了D1 和 D2這2個輸出二