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谐振增益转换器在下区域和上区域工作的LLC谐振转换器的设计

图1 LLC谐振转换器的基本电路

LLC谐振转换器的工作原理
图1所示为LLC谐振转换器的基本电路。LLC谐振转换器一般包含一个带MOSFET的控制器、一个谐振网络和一个整流器网络。控制器以50%的占空比交替为两个MOSFET提供门信号,随负载变化而改变工作频率,调节输出电压Vout,这称为脉冲频率调制(PFM)。谐振网络包括两个谐振电感和一个谐振电容。谐振电感Lr、Lm与谐振电容Cr主要作为一个分压器,其阻抗随工作频率而变化(见式1),以获得所需的输出电压。在实际设计中,谐振网络可由一个采用如图2所示的分段骨架(sectional bobbin)的集成式变压器的磁化电感Lm与漏感Llk构成。而整流器网络对谐振网络产生的正弦波形进行整流,然后传输到输出级。
(1)
式中,Vd基本近似等于Vin/2,而Rac基本近似等于8n2Vout/2πIout。
式(2)给出了采用如图2所示的实际变压器时,LLC谐振转换器的电压转换比。在式(2)中可观察到两个谐振频率。一个由Lp和Cr决定,记为ωp,另一个由Lr和Cr决定,记为ωr。利用这个公式,可获得LLC谐振转换器随频率和负载变化的增益特性曲线,如图3所示。

图2 采用分段骨架的集成式变压器(a),变压器等效电路(b)

图3 LLC谐振转换器的增益曲线和工作区域


图3中,每条曲线上以符号‘+’标注的最高值被称为‘峰值增益’,位于两个谐振频率ωp和ωr之间。当输出负载越来越大时,峰值增益值逐渐减小,其位置向更高频率移动。同时,以符号‘×’标注的ωr时的谐振增益却是固定的,不随输出负载的变化而变化。增益曲线说明在ZVS状态下,随着谐振网络的工作频率增加,增益减小,输出电压降低。
(2)
式中

LLC谐振转换器的工作区域
如图3所示,LLC谐振转换器的工作区域可标注为“+”的峰值增益和标注为“×”的谐振频率而分为三部分。首先,以峰值点为界,左边是ZCS(零电流开关)区(或称为电容区),右边是ZVS(零电压开关)区(或称为电感区)。在ZVS区,谐振频率ωr的左边是下区(below region),右边是上区域(above region)。当LLC谐振转换器工作在ZCS区时,在开关瞬间有大量反向恢复电流流经MOSFET,故LLC谐振转换器应该工作在ZVS区,要充分利用最小工作频率的限制不让带MOSFET的LLC谐振转换器进入ZCS区。


如上所述,根据工作频率是大于ωr还是小于ω,LLC谐振转换器可以工作在上区域或下区域。这还取决于两种工作模式的不同特性。当LLC谐振转换器被设计为上区域工作时,流到MOSFET的环流小于下谐振工作上的,MOSFET的传导损耗因此减小,从而提高效率。不过,次级端上的二极管为硬开关,故必须采用肖特基或UF(超快速恢复)二极管来防止严重的反向恢复电流。鉴于此,像便携式设备LCD的电源这样的低压应用有时会考虑采用上谐振工作。另一方面,在下谐振工作的情况下,流到MOSFET的环流比上谐振工作的要大。不过下谐振工作允许次级端上的二极管进行软导通/关断,这样就可以采用普通的快速恢复二极管。下谐振工作是LED或PDP TV等高压应用的首选。这些应用中,输出电压稍高,因而不能使用低额定电压的肖特基二极管。

和 为LLC谐振转换器的工作频率,分别是在100%和10%负载条件下调节最大输入电压Vin,max对应的额定输出电压。Mfr代表谐振频率fr下的增益,是固定的,不随负载变化。如上所述,谐振频率是把ZVS区域划分为上/下谐振工作的关键点。因此,当把Vin,max条件下所需增益设定至大于Mfr,则即使输入电压和输出负载都减小,所需增益也必然不会小于Mfr。这意味着LLC谐振转换器的工作频率小于对应Mfr的fr,故它总是工作在下区域。下面介绍一个LED TV电源的设计步骤。其输入电压由PFC(功率因数校正)提供,最小、额定和最大输入电压分别为350、380和400Vdc,输出规格为120V/1.5A。另外,集成式变压器使用分段骨架,控制器采用的是带有两个MOSFET的FSFR系列器件,这是飞兆半导体专为谐振半桥型转换器而设计的产品。

图4 LLC谐振转换器的频域增益曲线


● 步骤1 选择m和fr,并计算Mfr
利用式2,谐振频率fr下的谐振增益Mfr可由下式求得:
(3)
式3中,m和fr都由设计人员选择。若选择的m值很小,峰值增益增加,且需要较大的Lr。若m值过小,需要外部电感,因为这时要在集成式变压器中获得高值Lr实际上是相当困难的。另一方面,如果选择较大的m值,则峰值增益降低。由于Lr比Lp低,使用集成式变压器十分容易。一般而言,m值在4~7之间是比较合理的。


当m和fr分别设置为6kHz和100kHz时,求得谐振频率下的谐振增益为1.09。


● 步骤2 确定最大增益


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分别为最小和最大增益。Vvirtual是对应于谐振频率的有效输入电压。


如前所述,如果谐振电压下的Vvirtual被设定为大于最大输入电压Vin,max,则工作频率将总是低于谐振频率,于是设计出的LLC谐振转换器就会工作在下谐振工作区域。


假定Virtual设为420Vdc并考虑到余裕,Mmin和Mmax可采用式4计算:
Mmin=420/400×1.1=1.16/Mmax=420/350×1.1=1.31


考虑到因负载瞬态和输入电压变化,峰值增益应具有一定余裕,增加10%的余裕是比较恰当的,故合理的Mmax值为1.45。


● 步骤3 确定集成式变压器的匝数比


利用步骤2中求得的有效输入电压Vvirtual和合理的谐振增益Mfr,集成式变压器的匝数比可由式(5)求得:
n=Vvirtual/2(Vout+VF) (5)
式中,Vout和VF分别是次级端二极管的额定输出电压和正向电压降。如果需要调节匝数比n,可回到步骤2,增加或减小有效输入电压Vvirtual即可。在步骤2中,Vvirtual已被设为420Vdc。VF取1Vdc,集成式变压器的匝数比为
n=420/2(120+1)×1.1=1.9


● 步骤4 确定谐振网络

图5 根据峰值增益和不同m值找出正确的Q因子的查找表


利用图5所示的这种查找表,能够根据峰值增益和不同的m值找出正确的Q因子。利用m值和前面步骤中获得的所需最大增益,可在图5中选出正确的Q因子。一旦确定了正确的Q因子,谐振网络的参数就可利用公式(6)求出。
Cr=1/(2πQfrRac),Lr=1/(2πfr)2Cr,Lp=Lr×m (6)
这里,Cr和Lr分别为谐振电容和电感,Lp为集成式变压器的初级端电感。


在前面的步骤中,m值选为6,考虑到了余裕的所需最大增益Mmax求得为1.45。通过图5找出的Mmax对应的正确Q因子为0.35。当谐振频率为100kHz时,谐振电容Cr为19.1nF。


考虑到出厂电容的标准值,一个22nF的电容就足够了,最后可得Lr=115μH,Lp=690μH。

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