电源提示:设计 LLC 谐振半桥电源转换器

作者:电工吧 日期:2022-06-06 19:45:08 人气: 栏目:

与传统的脉宽调制 (PWM) 转换器不同,谐振转换器的输出电压通过频率调制进行调节。因此,谐振转换器的设计方法将不同于 PWM 转换器。

LLC 谐振转换器透过设计电路产生谐振的方式,实现功率开关元件的软切换,能显著的提升转换器效率,因此广受业界喜爱。但你是否也觉得 LLC 谐振转换器的补偿难以调整,Transient Response 太慢?系统频宽太低?单纯的电压回授已经无法满足设计需求,但是受限于 LLC 无法使用峰值电流模式控制,没办法设计更优化的回授与补偿器?

LLC 在运作上使用固定 Duty 的脉冲讯号驱动全桥或半桥谐振电路,透过改变开关的频率来改变变压器的增益。在控制方式上,单电压环的LLC 控制已经是成熟的主流技术,透过比较输出电压与参考电压的方式变更工作频率,可以稳定的运作LLC 转换器,但其缺点也十分明显:无法及时反应输入电压变化、对应输出电流变动时恢复稳态电压的响应速度慢、系统频宽较低等。

为了改善上述的缺点,最佳的办法就是将电流也纳入控制环路中。这在学界与业界皆有相关的研究,目前的电流控制方式已经有很多选择。但是类比的 LLC 控制 IC 大都还是单电压控制,或者只能实现其中某一种控制方式,这时便可以看到全数控制的电源转换器的优势。

LLC谐振半桥变换器可以在宽电压范围内全负载条件下实现软开关,在整个工作过程中,实现初级MOSFET的零电压开关(ZVS)和次级整流二极管零电流开关(ZCS)。因此可以达到较高的效率和功率密度,而且在负载和输入电压范围变化较大的情况下,其开关频率变化较小。

在各种类型的谐振转换器中,图 1 中的 LLC 串联谐振转换器 (LLC-SRC) 因其更好的输出调节、更低的循环电流和更低的电路成本而备受关注。



电源提示:设计 LLC 谐振半桥电源转换器

1:具有交流输入/输出电压的 LLC-SRC

串联谐振特性允许 DC/DC LLC-SRC 中的开关网络(如图 2 所示)具有非常宽的零电压开关 (ZVS) 区域;因此,LLC-SRC 可以在前端电源应用中轻松实现超过 94% 的效率,并在高开关频率下工作。

电源提示:设计 LLC 谐振半桥电源转换器

2:LLC 谐振半桥转换器

PWM 转换器的设计过程类似,设计 LLC-SRC 的第一步是选择满载时所需的工作频率。其余步骤不同,因为谐振转换器中没有占空比因数。LLC-SRC 中的占空比保持不变,理想情况下为 50%。 3 显示了来自TI 电源设计研讨会主题设计 LLC 谐振半桥电源转换器”的 LLC-SRC 设计流程图。

电源提示:设计 LLC 谐振半桥电源转换器

3:LLC 谐振半桥转换器设计流程图

请注意,M g是直流电压增益,L n L m L r的比值,品质因数定义为公式 1:

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此外,f n是定义为 f n = f sw /f o的归一化频率,其中

电源提示:设计 LLC 谐振半桥电源转换器

M g /Q e M g /f n图表中的增益曲线来自图 1 所示的 LLC 谐振回路,它也是 LLC 谐振半桥转换器的线性化电路。

3 提供了 LLC 谐振半桥转换器的简单电路参数选择过程。通过检查增益曲线上的 f n_min f n_max位置,您将能够在所有输入条件下在开关网络上设计具有 ZVS 的高效 LLC 谐振半桥转换器。

在设计 LLC 谐振半桥转换器时,请记住:

· f n_min需要始终高于 M g /f n图表中的增益曲线的脊。这是为了确保 MOSFET 保持 ZVS。

· LLC-SRC 效率只能在一个操作点进行优化。当f sw = f o时,串联L rC r变为零阻抗(图4);转换器在这一点上具有最佳效率。您需要确定要优化的线路/负载条件,并确保您的开关频率在该条件下处于谐振频率。

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4:当 f sw = f o时具有交流输入/输出电压的 LLC-SRC



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