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技術(shù)講座:半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2014-10-04 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】液晶電視和等離子電視的開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用有源或者無源的PFC模式,能夠長時(shí)間在無散熱通風(fēng)的環(huán)境下工作。這就要求開關(guān)電源要具備高功率密度、平滑的電磁干擾信號和少量的元器件。半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢就凸顯了出來。
 
半橋LLC轉(zhuǎn)換器建模和增益特性
 
LLC轉(zhuǎn)換器可以通過一階基波近似來描述。但只是近似,精度有限。而在Fs頻率附近精度達(dá)到最高。
等效電路的傳遞函數(shù)為:
 
技術(shù)講座:半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)應(yīng)用
這其中,Z1和Z2與頻率有關(guān),由此可知LLC轉(zhuǎn)換器的行為特性類似于與頻率有關(guān)的分頻器,負(fù)載越高,勵(lì)磁電感Lm所受到的交流電阻Rac產(chǎn)生的鉗位作用就越大。這樣一來,LLC儲能電路的諧振頻率就在Fs和Fmin之間變化。在使用基波近似時(shí),實(shí)際的負(fù)載電阻必須修改,因?yàn)閷?shí)際的諧振回路是由方波電壓驅(qū)動的。
相應(yīng)地,轉(zhuǎn)換器的品質(zhì)因數(shù)為:
 
技術(shù)講座:半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)應(yīng)用
 
串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率Fmin分別為
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圖1:標(biāo)準(zhǔn)化增益特性
 
LLC轉(zhuǎn)換器所需要的工作區(qū)域是增益曲線的右側(cè)區(qū)域(其中的負(fù)斜率意味著初級MOSFET工作在零電壓開關(guān)ZVS模式下)。當(dāng)LLC轉(zhuǎn)換器工作在fs=1(對于分立諧振回路解決方案而言)的狀態(tài)下時(shí),它的增益由變壓器的匝數(shù)比來給定。從效率和EMI的角度來講,這個(gè)工作點(diǎn)最具吸引力,因?yàn)檎页跫夒娏?、MOSFET和次級二極管都得到優(yōu)化利用。該工作點(diǎn)只能在特定的工作電壓和負(fù)載條件下達(dá)到(通常是在滿載和額定Vbulk電壓時(shí))。
 
增益特性曲線的波形及所需的工作頻率范圍由如下參數(shù)來確定:Lm/Ls比(即k)、諧振回路的特征阻抗、負(fù)載值和變壓器的匝數(shù)比。可以使用PSpice、Icap4等任意仿真軟件來進(jìn)行基波近似和AC仿真。
 
對于LLC諧振轉(zhuǎn)換器而言,滿載時(shí)品質(zhì)因數(shù)Q和Lm/Ls的恰當(dāng)選擇是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。這方面的選擇將影響到如下轉(zhuǎn)換器特性:

1、輸出電壓穩(wěn)壓所需的工作頻率范圍
2、線路和負(fù)載穩(wěn)壓范圍
3、諧振回路中循環(huán)能量的大小
4、轉(zhuǎn)換器的效率
 
在設(shè)計(jì)當(dāng)中,如果想要優(yōu)化在滿載狀態(tài)時(shí)的Q和K,就要確定如下幾個(gè)因素:效率、線路、負(fù)載穩(wěn)壓范圍。品質(zhì)因數(shù)Q直接取決于負(fù)載,它是由滿載條件下的諧振電感Ls和諧振電容CS確定的。Q因數(shù)越高,就導(dǎo)致工作頻率范圍Fop越大。Q值較高及給定負(fù)載時(shí),特征阻抗就必須較低,因?yàn)榈蚎會導(dǎo)致穩(wěn)壓能力下降,且Q值很低的情況下LLC增益特性會退化到SRC。
 
而在k=Lm/Ls方面,它決定了勵(lì)磁電感中存儲多少能量。k值越高,轉(zhuǎn)換器的勵(lì)磁電流和增益也就越低;且k因數(shù)越大,所需的穩(wěn)壓頻率范圍也就越大。
在實(shí)踐中,Ls(如集成變壓器解決方案的漏電感)只能在有限的范圍內(nèi)取值,而且是由變壓器的構(gòu)造(針對所需的功率等級)和匝數(shù)比決定。然后,Q因數(shù)的計(jì)算由所需的額定工作頻率fs確定。這之后,k因數(shù)也必須計(jì)算出來,以確保輸出電壓穩(wěn)壓(帶有線路和負(fù)載變化)所需的增益。而在設(shè)定k因數(shù)時(shí),可以讓轉(zhuǎn)換器在輕載時(shí)無法維持穩(wěn)壓——可以方便地使用跳周期模式來降低空載功耗。
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半橋LLC諧振電容和諧振電感的配置
 
單諧振電容和分體諧振電容都存在于半橋轉(zhuǎn)換器當(dāng)中。如圖1所示。對于單諧振電容配置而言,它的輸入電流紋波和均方根(RMS)值較高,而且流經(jīng)諧振電容的均方根電流較大。這種方案需要耐高壓(600~1,500V)的諧振電容。不過,這種方案也存在尺寸小、布線簡單等優(yōu)點(diǎn)。
 
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圖2:半橋LLC轉(zhuǎn)換器的兩種不同配置
 
分體諧振電容相較于單個(gè)諧振電容而言,其輸入電流紋波和均方根值較小。諧振電容僅處理一半的均方根電流,且所用電容的電容量僅為單諧振電容的一半。當(dāng)利用鉗位二極管(D3和D4)進(jìn)行簡單、廉價(jià)的過載保護(hù)時(shí),這種方案中,諧振電容可以采用450V較低額定電壓工作。
 
顧名思義,半橋LLC轉(zhuǎn)換器中包含2個(gè)電感(勵(lì)磁電感Lm和串聯(lián)的諧振電感Ls)。根據(jù)諧振電感位置的不同,諧振回路也包括兩種不同的配置,一種為分立解決方案,另一種為集成解決方案。這兩種解決方案各有其優(yōu)缺點(diǎn),采用這兩種方案的LLC的工作方式也有輕微差別。
 
將諧振電感安裝在變壓器外面是有目地的。其能夠幫助設(shè)計(jì)者提高設(shè)計(jì)的靈活性,令設(shè)計(jì)人員可以靈活設(shè)置Ls和Lm的值;此外,EMI幅射也更低。不過,這種解決方案的缺點(diǎn)在于,變壓器初級和次級繞組間的絕緣變得復(fù)雜,并且繞組的冷卻條件變差,并需要組裝更多元件。
 
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圖3:諧振儲能元件的兩種不同配置
 
在另一種集成的解決方案中,變壓器的漏電感被用作諧振電感(LLK=LS)。這種解決方案只需1個(gè)磁性元件,而且會使得開關(guān)電源的尺寸更小。此外,變壓器繞組的冷卻條件更好,且初級和次級繞組之間可以方便地實(shí)現(xiàn)絕緣。不過,這種解決方案的靈活性相對較差(可用的LS電感范圍有限),且其EMI幅射更強(qiáng),而初級和次級繞組之間存在較強(qiáng)的鄰近效應(yīng)。

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