基于輸入電壓調(diào)節(jié)于LLC-SRC效率最佳化設(shè)計考量

在能源危機發(fā)生之后，人們對于能源轉(zhuǎn)換效率及利用效能日益重視。因此，各國也紛紛制定許多能源規(guī)。從早期的滿載效率，到現(xiàn)今的四點平均效率。以桌上型電腦之電源轉(zhuǎn)換器為例，更有80Plus金、銀、銅牌等（20％、50％、100％負載）效率規(guī)。然而，在諸多認證規(guī)中，最困擾研發(fā)人員的往往是輕載與半載效率。本文主要介紹半橋諧振式轉(zhuǎn)換器之基本操作塬理，并說明如何透過調(diào)節(jié)功因修正級（PFC）輸出電壓以提高LLC-SRC半橋諧振式轉(zhuǎn)換器之輕載及半載效率。

　　以目前高效率電源轉(zhuǎn)換器之應(yīng)用為例，傳統(tǒng)的硬切換技術(shù)（Hard-Switching）已無法滿足80Plus金牌等級以上之要求。各大電源供應(yīng)器廠商紛紛投入軟切換技術(shù)（Soft-Switching）之研u。其中更以LLC-SRC半橋串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器（Half-Bridge Series Resonant Converter）最為受到青睞。主要塬因在于其容易達成零電壓切換（減少切換損失，提高轉(zhuǎn)換效率），降低電磁干擾（EMI）等。

　　LLC塬理分析

　　LLC-SRC半橋串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)（如圖1示），可分為叁個部份。方波產(chǎn)生器（Square wave generator）、諧振網(wǎng)路（Resonant network）與輸出整流濾波（Rectifier network）。

　　A方波產(chǎn)生器藉由各近50％的導(dǎo)通L期（Duty cycle）驅(qū)動功率開關(guān)（MosFET）Q1和Q2以產(chǎn)生方波電壓并藉由控制開關(guān)頻率來達成輸出電壓調(diào)節(jié)。

　　B諧振網(wǎng)路部份主要由諧振電容（Cr），諧振電感（Lr）及激磁電感（Lm）所組成。此串聯(lián)諧振網(wǎng)路可將高次諧波電流濾除，并使電流角度落后電壓而達成零電壓切換。

　　C利用全波橋式整流或變壓器中央抽頭整流型式與輸出濾波電容，將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出。其交流等效電路如下：

　　其中：

　　當輸入電壓變化或輸出負載變化時，為保持輸出電壓之穩(wěn)定，必須藉由調(diào)整諧振網(wǎng)路之電壓增益（Gain）來達成。其中增益（M）可被定義為：

　　其中：

　　由此可得知此諧振網(wǎng)路中具有兩個諧振頻率，一個由Lr及Cr所組成，而另一個由Lp及Cr所組成。且其增益隨諧振頻率改變而不受負載變化影響。若操作頻率（w）=諧振頻率（w0）時，可得：

　　因此，當操作頻率接近諧振頻率時，整個諧振網(wǎng)路的阻抗幾乎會等于輸出阻抗。此處較類似傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。下圖為LLC串連諧振轉(zhuǎn)換器之電壓增益曲線。

　　此處與傳統(tǒng)串聯(lián)諧振不同的是LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器具有兩個諧振點，并且允許轉(zhuǎn)換器工作于兩個諧振點間。

　　如圖4，當操作頻率小于諧振頻率時（fs《f0），一次側(cè)切換晶體（MosFET）與二次側(cè)整流二極體（Rectifier）皆操作于軟切換（Soft-Switching）狀態(tài)，在此狀態(tài)下，二次側(cè)整流二極體無逆向回褪奔洌trr）之損耗。但也因其電流呈現(xiàn)非連續(xù)導(dǎo)通的現(xiàn)象，故其表現(xiàn)在輸出濾波電容上的漣波電流（Ripple Current）較大，所以比較適用于輸出高電壓小電流之應(yīng)用。

　　當操作頻率大于諧振頻率時（fs》f0），其特性較類似于傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器（Series Resonant Converter）。在fs越接近f0時，其一次側(cè)之循環(huán)電流越?。–irculating Current），因此可以依此特性適當?shù)販p少一次側(cè)之循環(huán)電流，以達到效率最佳化。二次側(cè)輸出整流二極體電流較連續(xù)，其表現(xiàn)在濾波電容上的漣波電流相對較小。故此操作區(qū)間較適用于輸出低電壓大電流之應(yīng)用。

　　
模擬驗證

　　以12V/25A 300W輸出諧振轉(zhuǎn)換器為例，選擇Lr=110uH　Cr=22nF　m=5　輸入390VDC，操作于fs《f0區(qū)間：

　　另選擇m=19 操作于fs》f0區(qū)間：

　　由兩者增益曲線比較可知，當m越大時會越接近傳統(tǒng)串聯(lián)諧振之特性。增益-頻率表現(xiàn)變化較小，因此需要較高的操作頻率以維持輕載輸出電壓的穩(wěn)定。