近年 LCC 諧振變換器備受關(guān)注，因?yàn)樗鼉?yōu)于常規(guī)串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器：在負(fù)載和輸入變化較大時(shí)，頻率變化仍很小，且全負(fù)載范圍內(nèi)切換可實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換(ZVS)。本文介紹了LLC 型諧振變換器的分析方法，回顧了LLC 型諧振變換器的實(shí)際設(shè)計(jì)要素。其中包括設(shè)計(jì)變壓器和選擇元器件。采用一設(shè)計(jì)實(shí)例，逐步說明設(shè)計(jì)流程，有助于工程師更加輕松地設(shè)計(jì)LLC 諧振器。

功率變換器設(shè)計(jì)中，對(duì)增大功率密度，縮小設(shè)計(jì)尺寸的要求越來越高，迫切需要設(shè)計(jì)師提高開關(guān)頻率。采用高頻工作將大大降低無源器件的尺寸，如變壓器和濾波器。但存在的開關(guān)損耗卻對(duì)高頻工作帶來不利影響。為減少開關(guān)損耗，使高頻工作正常，故提出諧振切換技術(shù) 。這些技術(shù)按正弦波處理功率，并且開關(guān)器件可以很方便地軟換向。因此，開關(guān)損耗和噪聲可大幅度減少。常規(guī)諧振器使用串聯(lián)的電感電容作為諧振網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載連接有兩種基本結(jié)構(gòu)，串聯(lián)和并聯(lián)。

對(duì)于串聯(lián)諧振變換器(SRC), 整流負(fù)載網(wǎng)絡(luò)與一個(gè)LC 諧振網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，如圖1 所示。從這個(gè)結(jié)構(gòu)看來，諧振網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載作為一個(gè)分壓器。通過改變驅(qū)動(dòng)電壓Vd的頻率，改變諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗。輸入電壓將分配到這部分阻抗和反射負(fù)載上。因?yàn)?，它是一個(gè)分壓器，SRC 直流增益始終小于1。在小負(fù)載條件下，負(fù)載阻抗相對(duì)于與諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗非常大;全部輸入電壓落在負(fù)載上。這使得人們很難在小負(fù)載條件下調(diào)節(jié)輸出。理論上，在沒有負(fù)載的情況下調(diào)節(jié)輸出，頻率會(huì)變?yōu)闊o限大。

對(duì)于并聯(lián)諧振變換器，整流負(fù)載網(wǎng)絡(luò)與諧振電容是并聯(lián)的，如圖所示。由于負(fù)載同諧振網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)的，因此不可避免地存在著大量的循環(huán)電流。這使得人們難以在大功率場合下使用并聯(lián)諧振電路。

為了解決傳統(tǒng)諧振變換器的局限性，提出了LLC 諧振變換器。對(duì)比常規(guī)諧振器，LLC 型諧振變換器具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以在輸入和負(fù)載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出，同時(shí)開關(guān)頻率變化相對(duì)很小。第二，它可以在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)零電壓切換(ZVS)。最后，所有寄生元件，包括所有半導(dǎo)體器件的結(jié)電容和變壓器的漏磁電感和激磁電感，都是用來實(shí)現(xiàn)ZVS 的。

本文講述了一種半橋LLC 諧振器的分析和設(shè)計(jì)要素。利用基波近似法分析了電壓和電流波形，并得到了系統(tǒng)增益方程。選擇一個(gè)輸出為120W/24V 直流/直流轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)作為典型的例子，來說明設(shè)計(jì)流程。

工作原理和基波近似

圖3 為半橋LLC 諧振變換器簡化示意圖，圖4 是它的典型波形。圖3 中，Lm 是變壓器勵(lì)磁電感，Llkp和Llks分別表示變壓器初級(jí)和次級(jí)的漏感。LLC 諧振變換器的工作原理和傳統(tǒng)LC 串聯(lián)諧振變換器是類似的。唯一不同的是，激磁電感相對(duì)較小，因此Lm+Llkp和Cr 之間的諧振會(huì)影響變換器的工作。由于激磁電感較小，存在著相當(dāng)大的磁化電流(Im)，如圖4 示。

一般來說，LLC 諧振拓?fù)浒ㄈ糠?，如圖3 所示;方波發(fā)生器，諧振網(wǎng)絡(luò)和整流網(wǎng)絡(luò)。

- 方波發(fā)生器，通過每次切換都以50%占空比交替驅(qū)動(dòng)開關(guān)Q1 和Q2 產(chǎn)生方波電壓Vd。方波發(fā)生器級(jí)可設(shè)計(jì)成一個(gè)全橋或半橋型。

- 諧振網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)電容器，變壓器的漏磁電感和激磁電感。諧振網(wǎng)絡(luò)可以濾掉高次諧波電流。因此，即使方波電壓應(yīng)用于諧振網(wǎng)絡(luò)，基本上只有正弦電流允許流經(jīng)諧振網(wǎng)絡(luò)。電流(Ip)滯后于施加于諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓(也就是說，方波電壓(Vd)的基波施加到了半橋上的圖騰)，這允許零電壓開啟MOSFET。從圖4可以看到，當(dāng)電流流經(jīng)反向并聯(lián)二極管時(shí)，MOSFET開啟電壓為零。

-整流網(wǎng)絡(luò)通過整流二極管和電容器調(diào)整交流電，輸出直流電壓。整流網(wǎng)絡(luò)可設(shè)計(jì)成一個(gè)帶有電容輸出濾波器的全橋或中心抽頭結(jié)構(gòu)。

諧振網(wǎng)絡(luò)的濾波功能可以讓我們用經(jīng)典的基波近似原理獲得諧振器的電壓增益，假定只有輸入到諧振網(wǎng)絡(luò)的方波電壓的基波有助于功率傳遞到輸出。由于次級(jí)整流電路起到一個(gè)阻抗變壓器的作用，等效負(fù)載電阻與實(shí)際負(fù)載電阻是不同的。圖5 顯示了如何得到等效負(fù)載電阻。初級(jí)電路被替換成一個(gè)正弦電流源Iac和方波電壓VRI，作為整流器輸入電壓。因?yàn)镮ac的平均值是輸出電流Io，可得到：

利用等效負(fù)載阻抗，得到AC 等效電路，如圖6 所示，VdF和VROF分別表示驅(qū)動(dòng)電壓Vd和反射輸出電壓VRO(nVRI)的基波。

利用等式 (5) 的等效負(fù)載阻抗，得到LLC 諧振變換器特性。利用圖6 示AC 等效電路，計(jì)算電壓增益M

從等式(6)可以看出，電路有兩個(gè)諧振頻率。一個(gè)由Lr 和Cr確定，另一個(gè)由Lp 和Cr 決定。在實(shí)際變壓器中，分別利用次級(jí)線圈開路和短路在初級(jí)測得Lp 和Lr。

等式(6)需要關(guān)注的是，在諧振頻率(ωo)處，不管負(fù)載怎么變化增益都是固定的。

不考慮變壓器次級(jí)的漏磁電感，等式(7)的增益變成1。在以前的研究中，變壓器次級(jí)的漏磁電感常被忽略，以簡化增益方程。然而，可以看到，如果忽略變壓器次級(jí)漏磁電感，計(jì)算的增益會(huì)存在相當(dāng)大的誤差，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果不正確。

等式(7)中諧振頻率(ωo)下的增益也可以簡化成用K 表示的等式

盡管增益表示成等式(8)，當(dāng)操作一個(gè)實(shí)際的變壓器時(shí)，增益最好表示成Lp 和Lr 的函數(shù)。因?yàn)檫@兩個(gè)量是很容易測量的。把Lp 和Lr 用K 表示，我們可以得到：

利用等式(15)計(jì)算的諧振頻率增益作為變壓器的一個(gè)虛擬增益，圖6 所示的LLC 諧振器的AC 等效電路可以簡化只含有Lp 和Lr 的形式，如圖7 示

圖(8)給出了不同Q 值下等式(8)的增益，其中k=5，fo=100kHz 和fp = 55kHz。從圖8 可以看出，當(dāng)開關(guān)頻率約等于諧振頻率fo 時(shí)，LLC 諧振器的特性幾乎與負(fù)荷無關(guān)。這是LLC 型諧振變換器一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢，與常規(guī)串聯(lián)諧振變換器相比。因此，最好讓變換器工作在諧振頻率周圍，以減少小負(fù)載情況下開關(guān)頻率的變化。

LLC 諧振變換器的工作范圍受到峰值增益(可達(dá)到的最大增益)的限制，即圖8 中‘*’表示的位置。需要注意到，峰值電壓增益不發(fā)生在fo 也不是fp。峰值增益對(duì)應(yīng)的峰值增益頻率在fp 和fo 之間，如圖8 示。隨Q 值降低(負(fù)載減少)，峰值增益頻率向fp 移動(dòng)，并且峰值增益較高。隨Q值上升(負(fù)載增加)，峰值增益頻率偏向fo，峰值增益下降。因此，滿負(fù)載狀態(tài)應(yīng)該是諧振網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要考慮的最壞情況。

另一個(gè)決定峰值增益的重要因素是Lm 和Llkp 之間的比值，即等式(9)中定義的K 值。即使通過等式(8)能夠獲得某一特定條件下的峰值增益，但是要用很簡潔的形式表達(dá)峰值增益是很困難的。此外，對(duì)于諧振頻率(fo)以下的頻率，從等式(8)求得的增益，因?yàn)榛窘?，存在一定的頻率誤差。為了簡化分析和設(shè)計(jì)，通過使用模擬工具可以獲得峰值增益。圖9 說明了對(duì)于不同的k 值，峰值增益(可達(dá)到最大增益)是怎樣隨Q 變化的。由此看來，降低K 或Q 值能夠獲得較高的峰值增益。對(duì)于給定的諧振頻率(fo)和Q 值，降低K 意味著減少激磁電感，導(dǎo)致循環(huán)電流增加。因此，需要在可用增益范圍和傳導(dǎo)損失之間作一個(gè)折中。