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          在完全工作條件下進行測試之前測量 LLC 諧振回路

          作者: 時間:2024-09-23 來源:德州儀器 收藏

          半橋串聯(lián)諧振可為超過 100W 的實現(xiàn)高效率和高功率密度。最常見的諧振拓撲 (圖 1) 是由串聯(lián)磁化電感器、諧振電感器和電容器(縮寫為 )組成的。參數(shù)值的選擇決定了的增益曲線形狀,進而影響諧振在系統(tǒng)中的運行。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202409/463110.htm

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          圖 1. 具有分裂諧振電容器的半橋 功率級,參數(shù)值的選擇決定了的增益曲線形狀在向電路通電之前需要驗證該曲線。來源:德州儀器  (TI)

          確定一組參數(shù)并選擇元件后,必須要在向電路通電之前驗證增益曲線。在本期電源設(shè)計小貼士中,我將介紹一種測量諧振回路增益曲線的方法,并說明如何解讀結(jié)果,內(nèi)容中包括一些用來展示該方法的優(yōu)點和局限性的示例。

          頻率響應(yīng)分析器會向任意電路注入一個交流小信號,然后測量系統(tǒng)中兩點的電壓,以便在一個確定頻率范圍內(nèi)確定信號增益和相位延遲。雖然頻率響應(yīng)分析器最常用于測試控制環(huán)路,但該設(shè)備也可以用來測量 轉(zhuǎn)換器的功率級增益。圖 2 顯示了此類測量的接線圖。

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          圖 2. 諧振回路連接到頻率響應(yīng)分析器以重建增益曲線圖的接線圖。功率級的增益圖可通過展示通道 2 電壓除以通道 1 電壓的幅值而得出。來源:德州儀器  (TI)

          半橋 LLC 具有一對諧振電容器,其中一個連接到輸入電壓,另一個連接到初級接地。要在此電路中運行測試,諧振電容器必須相互并聯(lián),并且與初級繞組串聯(lián)。分析器的注入信號和通道 1 測量會跨初級側(cè)元件進行連接,從半橋的開關(guān)節(jié)點連接到諧振電容器的另一端。分析器的次級通道(通道 2)會跨次級繞組進行連接,并添加一個電阻器來近似模擬負載條件。在掃描注入交流信號的頻率后,可以通過展示通道 2 電壓除以通道 1 電壓的幅值來繪制功率級的增益。圖 3 顯示了一個測試結(jié)果示例。

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          圖 3. 可以從圖 2 中所示的測試設(shè)置中觀察到的 LLC 諧振回路增益曲線測量示例。來源:德州儀器  (TI)

          根據(jù)變壓器匝數(shù)比以及功率級初級側(cè)和次級側(cè)的開關(guān)和繞組配置,可以將功率級增益轉(zhuǎn)換為電壓增益。半橋 LLC 功率級通常顯示有一個中心抽頭次級繞組和兩個輸出整流器。在本例中,輸出電壓近似為輸入電壓、匝數(shù)比和工作頻率下諧振回路的增益的乘積。圖 4 中所繪制的其他次級配置選項使諧振回路能夠轉(zhuǎn)換為更高的輸出電壓。請注意,如果初級側(cè)配置有全橋,則需要將這些比率乘以系數(shù) 2。

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          圖 4. 為次級側(cè)配置全波整流器可使傳輸?shù)哪芰考颖?(a);雙端次級配置可實現(xiàn)四倍電壓增益 (b)。來源:德州儀器  (TI)

          此方法的益處是可以直接在 PCB 上進行測量,并且在測試結(jié)果中將功率級寄生元件考慮在內(nèi)。TI E2E? 設(shè)計支持論壇文章“為什么您的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器頻率大錯特錯” (Why is Your LLC Resonant Converter Frequency Way, Way Off) 中,使用了一個替代模型來解釋變壓器的構(gòu)造如何會在電路中引入額外的電感(圖 5)。您可以圍繞這些固有的寄生元件進行設(shè)計,或者將它們集成到您的設(shè)計中。例如,可以使用漏電感作為諧振電感器,這樣可以從設(shè)計中移除一個物理元件,從而節(jié)省成本并提高效率。通過使用此快速測試,可以借助此方法簡化對諧振回路設(shè)計的優(yōu)化。

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          圖 5. 使用漏電感作為 LLC 轉(zhuǎn)換器諧振元件的變壓器模型,這使設(shè)計人員能夠圍繞固有的寄生元件進行設(shè)計或?qū)⑵浼傻皆O(shè)計中。來源:德州儀器  (TI)

          在次級側(cè)使用同步整流器將進一步提高 LLC 轉(zhuǎn)換器效率。這樣將會降低導(dǎo)通損耗,而導(dǎo)通損耗往往決定了該元件的總損耗特性;然而,對 MOSFET 的選擇可能會改變增益曲線的形狀。低電阻 MOSFET 將具有較大的輸出電容。變壓器的匝數(shù)比可能會放大該電容,這在某些情況下可能會造成問題。正如我前面提到的,通過測試電路中的增益曲線,有助于考慮整個功率級中的額外寄生元件。圖 6 突出顯示了在初始諧振回路設(shè)計中可能不被注意的 MOSFET 輸出電容的效應(yīng)。

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          圖 6. 在此設(shè)計中,寄生電容增加了一個 300kHz 左右的諧振,而它本不應(yīng)在設(shè)計階段出現(xiàn)。來源:德州儀器  (TI)

          然而,使用頻率響應(yīng)分析器無法將所有設(shè)計寄生元件考慮在內(nèi)。例如,測量不會顯示中心抽頭結(jié)構(gòu)中彼此耦合不佳的次級繞組的效應(yīng)。初級繞組和次級繞組之間的松散耦合會形成漏電感,而這在 LLC 設(shè)計中某種程度上是有利的。但是,彼此耦合不佳的次級繞組會降低功率級的性能。在交流分析中無法觀察這種效應(yīng),但在監(jiān)測次級繞組電壓時很明顯。

          例如,圖 7 中的設(shè)計具有正確的增益曲線。但觀察次級繞組上的電壓可發(fā)現(xiàn),電平開始時較高,然后下降至低于輸出電壓的電平。理想情況下,這些電壓波形應(yīng)該看起來更像方波。松散耦合還會在次級整流器關(guān)斷沿上制造一個大泄漏尖峰。隨著負載增加,彼此松散耦合的次級繞組的失真效應(yīng)愈發(fā)明顯,并且會限制可能的輸出功率。

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          圖 7. 變壓器設(shè)計中的松散耦合在開關(guān)波形中顯而易見,但在其增益曲線中不明顯。來源:德州儀器  (TI)

          即使重新配置該變壓器設(shè)計,使次級繞組彼此更好地耦合,所產(chǎn)生的諧振電感和磁化電感仍然保持不變。與預(yù)期一致,增益曲線測量在視覺上沒有差異。但圖 8 中的開關(guān)波形說明新設(shè)計有顯著改進。

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          圖 8. 經(jīng)過改進的變壓器設(shè)計,其中更好的耦合減輕了壓降,同時保持了增益曲線形狀。來源:德州儀器  (TI)

          重新配置次級繞組后,開關(guān)波形看起來更接近預(yù)期;波形更趨于方形,同時阻斷電壓等于輸出電壓。關(guān)斷沿產(chǎn)生的泄漏尖峰也得以消除。

          兩種變壓器設(shè)計實際上相同,不需要額外的元件。然而,這些變化對總體效率產(chǎn)生了很大影響。

          結(jié)語

          在設(shè)計諧振轉(zhuǎn)換器時,應(yīng)驗證諧振回路的增益曲線,以此來開始評估。雖然無法檢測所有缺陷,但可以在一定程度上洞察可實現(xiàn)的增益,以及預(yù)期的工作頻率范圍。



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          關(guān)鍵詞: LLC 諧振回路 轉(zhuǎn)換器

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