LLC諧振轉(zhuǎn)換器原理及設(shè)計步驟

多種類型的LED TV主功率級拓?fù)湎嗬^推出，比如非對稱半橋轉(zhuǎn)換器、雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器。其中，LLC諧振轉(zhuǎn)換器雖然相比其他轉(zhuǎn)換器具有更多優(yōu)勢，但因為其設(shè)計復(fù)雜困難，所以在過去很少受到關(guān)注。不過，這幾年間，IC制造商已開發(fā)出用于LLC諧振轉(zhuǎn)換器的控制器，而且發(fā)表了許多相關(guān)技術(shù)說明和設(shè)計工具，讓其設(shè)計變得更容易，并使得這種技術(shù)獲得更多的關(guān)注?，F(xiàn)在，LLC諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為LED TV最流行的主功率級拓?fù)洹?/span>

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的出色優(yōu)點有：（1）在整個負(fù)載范圍(包括輕載)下都是以ZVS(zero voltage switching，零電壓開關(guān))條件工作，從而實現(xiàn)高效率；（2）工作頻率變化范圍比較窄，便于高頻變壓器和輸入濾波器的設(shè)計；（3）初級端所用開關(guān)的電壓應(yīng)力被鉗位在輸入電壓上，而次級端兩個二極管上的電壓始終等于中心抽頭變壓器輸出電壓的兩倍。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器可以工作在兩個不同類型的ZVS區(qū)域之內(nèi)。一個被稱為“上區(qū)域(above region)”(或上諧振工作區(qū)域)，這里，初級端的環(huán)流變小，但次級端上的二極管為硬開關(guān)。另一個是“下區(qū)域”(或下諧振工作區(qū)域)，這時，次級端上的二極管可實現(xiàn)軟開關(guān)。本文將簡單介紹LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理和工作區(qū)域，此外還將討論其設(shè)計步驟。

圖1 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理
圖1所示為LLC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路。LLC諧振轉(zhuǎn)換器一般包含一個帶MOSFET的控制器、一個諧振網(wǎng)絡(luò)和一個整流器網(wǎng)絡(luò)?？刂破饕?0%的占空比交替為兩個MOSFET提供門信號，隨負(fù)載變化而改變工作頻率，調(diào)節(jié)輸出電壓Vout，這稱為脈沖頻率調(diào)制(PFM)。諧振網(wǎng)絡(luò)包括兩個諧振電感和一個諧振電容。諧振電感Lr、Lm與諧振電容Cr主要作為一個分壓器，其阻抗隨工作頻率而變化(見式1)，以獲得所需的輸出電壓。在實際設(shè)計中，諧振網(wǎng)絡(luò)可由一個采用如圖2所示的分段骨架(sectional bobbin)的集成式變壓器的磁化電感Lm與漏感Llk構(gòu)成。而整流器網(wǎng)絡(luò)對諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的正弦波形進(jìn)行整流，然后傳輸?shù)捷敵黾墶?br /> (1)
式中，Vd基本近似等于Vin/2，而Rac基本近似等于8n2Vout/2πIout。
式（2）給出了采用如圖2所示的實際變壓器時，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比。在式（2）中可觀察到兩個諧振頻率。一個由Lp和Cr決定，記為ωp，另一個由Lr和Cr決定，記為ωr。利用這個公式，可獲得LLC諧振轉(zhuǎn)換器隨頻率和負(fù)載變化的增益特性曲線，如圖3所示。

圖2 采用分段骨架的集成式變壓器(a)，變壓器等效電路(b)

圖3 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的增益曲線和工作區(qū)域

圖3中，每條曲線上以符號‘＋’標(biāo)注的最高值被稱為‘峰值增益’，位于兩個諧振頻率ωp和ωr之間。當(dāng)輸出負(fù)載越來越大時，峰值增益值逐漸減小，其位置向更高頻率移動。同時，以符號‘×’標(biāo)注的ωr時的諧振增益卻是固定的，不隨輸出負(fù)載的變化而變化。增益曲線說明在ZVS狀態(tài)下，隨著諧振網(wǎng)絡(luò)的工作頻率增加，增益減小，輸出電壓降低。
(2)
式中。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域
如圖3所示，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域可標(biāo)注為“＋”的峰值增益和標(biāo)注為“×”的諧振頻率而分為三部分。首先，以峰值點為界，左邊是ZCS(零電流開關(guān))區(qū)(或稱為電容區(qū))，右邊是ZVS(零電壓開關(guān))區(qū)(或稱為電感區(qū))。在ZVS區(qū)，諧振頻率ωr的左邊是下區(qū)(below region)，右邊是上區(qū)域(above region)。當(dāng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作在ZCS區(qū)時，在開關(guān)瞬間有大量反向恢復(fù)電流流經(jīng)MOSFET，故LLC諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)該工作在ZVS區(qū)，要充分利用最小工作頻率的限制不讓帶MOSFET的LLC諧振轉(zhuǎn)換器進(jìn)入ZCS區(qū)。

如上所述，根據(jù)工作頻率是大于ωr還是小于ω，LLC諧振轉(zhuǎn)換器可以工作在上區(qū)域或下區(qū)域。這還取決于兩種工作模式的不同特性。當(dāng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器被設(shè)計為上區(qū)域工作時，流到MOSFET的環(huán)流小于下諧振工作上的，MOSFET的傳導(dǎo)損耗因此減小，從而提高效率。不過，次級端上的二極管為硬開關(guān)，故必須采用肖特基或UF(超快速恢復(fù))二極管來防止嚴(yán)重的反向恢復(fù)電流。鑒于此，像便攜式設(shè)備LCD的電源這樣的低壓應(yīng)用有時會考慮采用上諧振工作。另一方面，在下諧振工作的情況下，流到MOSFET的環(huán)流比上諧振工作的要大。不過下諧振工作允許次級端上的二極管進(jìn)行軟導(dǎo)通/關(guān)斷，這樣就可以采用普通的快速恢復(fù)二極管。下諧振工作是LED或PDP TV等高壓應(yīng)用的首選。這些應(yīng)用中，輸出電壓稍高，因而不能使用低額定電壓的肖特基二極管。

因此，必須根據(jù)應(yīng)用的規(guī)格和特性來選擇LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域。下一節(jié)將討論LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作區(qū)域的選擇步驟。