(核心)LLC 諧振設(shè)計

1、LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計James.Li21. 引言引言功率變換器設(shè)計中，對大功率密度和小尺寸的要求越來越高，迫切需要設(shè)計師提高開關(guān)頻率但是，開關(guān)損耗開關(guān)損耗已影響了高頻工作 容性功耗反向恢復(fù)功耗電壓和電流的交迭高頻工作高頻工作31. 引言引言諧振變換器：按正弦波處理功率，并且開關(guān)器件可以很方便地諧振變換器：按正弦波處理功率，并且開關(guān)器件可以很方便地軟換向軟換向 在開關(guān)開啟之前，開關(guān)上的電壓降為 0 (ZVS)開啟時，去除 V 和 I 之間的交迭區(qū)域消除容性功耗 串聯(lián)諧振變換器串聯(lián)諧振變換器/ /并聯(lián)諧振變換器并聯(lián)諧振變換器 41. 引言引言串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振 (SR) 變換器變

2、換器 +VO-RoQ1Q2n:1IpLrLmCrIds2VdVin resonant network諧振電感諧振電感 (Lr) 和諧振電容和諧振電容 (Cr) 串聯(lián)串聯(lián) 諧振電容和負(fù)載串聯(lián)諧振電容和負(fù)載串聯(lián) 諧振網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載作為一個分壓器諧振網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載作為一個分壓器 DC 增益通常小增益通常小于于 1（最（最大增益出現(xiàn)在諧大增益出現(xiàn)在諧振頻率振頻率） 通過改變驅(qū)動電壓通過改變驅(qū)動電壓 (Vd) 的頻率，改變諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗的頻率，改變諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗諧振網(wǎng)絡(luò) 51. 引言引言串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振 (SR) 變換器變換器 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 通過通過 ZVS 降低開關(guān)功耗和降低開關(guān)功耗和 EMI 提高提高效率效率 降低

3、高頻工作中磁性元件的尺寸降低高頻工作中磁性元件的尺寸 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 能夠能夠在負(fù)載和輸入變化不大的情況下在負(fù)載和輸入變化不大的情況下優(yōu)化某個工作點(diǎn)的性能優(yōu)化某個工作點(diǎn)的性能 不能在無負(fù)載條件下調(diào)節(jié)輸出不能在無負(fù)載條件下調(diào)節(jié)輸出 波動整流電流波動整流電流 ( (電容輸出電容輸出) )：不適合于高輸出電流應(yīng)用場合不適合于高輸出電流應(yīng)用場合61. 引言引言+VO-RoQ1Q2n:1IpLlkpCrIds2VdVin resonant network并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振 (PR) 變換器變換器 諧振電感 (Lr) 和諧振電容 (Cr) 串聯(lián)諧振電容和負(fù)載并聯(lián) 通過改變驅(qū)動電壓 (Vd) 的頻率，改變諧振網(wǎng)絡(luò)阻

4、抗諧振網(wǎng)絡(luò) 71. 引言引言 優(yōu)點(diǎn) 無負(fù)載情況下調(diào)節(jié)輸出是沒問題的 連續(xù)整流電流 (電感輸出)：適合高輸出電流應(yīng)用場合 缺點(diǎn) 初級電流幾乎與負(fù)載無關(guān)：有效電流在諧振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)循環(huán)，即使在無負(fù)載情況下 循環(huán)電流隨輸入電壓增加而增加：不適合于輸入電壓較寬的應(yīng)用場合并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振 (PR) 變換器變換器81. 引言引言 什么是什么是 LLC 諧振變換器諧振變換器? 拓?fù)淇雌饋砗蛡鹘y(tǒng)的 LC 串聯(lián)諧振變換器相同 變壓器的激磁電感 (Lm) 很小，并且和諧振工作有關(guān) 電壓增益不同于 LC 串聯(lián)諧振變化器+VO-RoQ1Q2n:1IpLrLmCrIds2VdImIDVin resonant networkI

5、o+VO-RoQ1Q2n:1IpLrLmCrIds2VdVin resonant networkLC 串聯(lián)諧振變換器 LLC 諧振變換器諧振網(wǎng)絡(luò) 諧振網(wǎng)絡(luò) 91. 引言引言LLC 諧振變換器諧振變換器特點(diǎn)特點(diǎn)- 通過 ZVS 降低開關(guān)功耗：提高效率- 寬負(fù)載范圍下頻率變化范圍小- 零電壓轉(zhuǎn)換，即使在無負(fù)載的情況下- 特別地，使用集成式變壓器集成式變壓器代替分立磁性元件101. 引言引言 LLC 諧振變換器中的集成式變壓器諧振變換器中的集成式變壓器 兩個磁性元件被集中到一個單獨(dú)的磁環(huán)中（使用初級漏電感作為諧振電感） 節(jié)省一個磁性元件 (Lr) 漏電感不僅存在于初級，還存在于次級 需要考慮次級的漏

6、電感+VO-RoQ1Q2n:1LrLmCrIds2VdIDVin Io+VO-RoQ1Q2n:1IpLlkpLmCrIds2VdLlksImIDVin Integrated transformerIo集成式變壓器112. 操作原理和基波近似操作原理和基波近似 方波發(fā)生器：通過每次切換以 50% 占空比交替驅(qū)動開關(guān) Q1 和 Q2 產(chǎn)生方波電壓 Vd 諧振網(wǎng)絡(luò)：由 Llkp, Llks, Lm 和 Cr 組成。電流滯后于施加于諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓，這允許零電壓開啟 MOSFET 整流網(wǎng)絡(luò)：通過調(diào)整交流電流產(chǎn)生直流電壓IpIds2Vd(Vds2)Vgs2ImVinIDVgs1+VO-RoQ1Q2n:1I

7、pLlkpLmCrIds2VdLlksImIDVinSquare wave generator resonant networkRectifier networkIo方波發(fā)生器諧振網(wǎng)絡(luò)整流網(wǎng)絡(luò)122. 操作原理和基波近似操作原理和基波近似諧振網(wǎng)絡(luò)可以過濾掉高次諧波電流。因此，即使方波電壓應(yīng)用于諧振網(wǎng)絡(luò)，基本上只有正弦電流允許流經(jīng)諧振網(wǎng)絡(luò)。 基波近似：假定只有輸入到諧振網(wǎng)絡(luò)的方波電壓的基波有助于功率傳遞到輸出。 方波電壓由它的基波成份替代Resonant networkVdIpIsecResonant networkVdIpIsec諧振網(wǎng)絡(luò)諧振網(wǎng)絡(luò)132. 操作原理和基波近似操作原理和基波近似+

8、VRI-Io+VO-IacpkacIIacVRI4sin()FoRIVVwtVo)sin(2wtIIoacRoVRIF2288FFoRIRIacoFacacoVVVRRIII因?yàn)榇渭壵髌麟娐菲鸬揭粋€阻抗變壓器的作用，等效負(fù)載電阻與實(shí)際負(fù)載電因?yàn)榇渭壵髌麟娐菲鸬揭粋€阻抗變壓器的作用，等效負(fù)載電阻與實(shí)際負(fù)載電阻是不同的。阻是不同的。 初級電路被替換成一個正弦電流初級電路被替換成一個正弦電流源源(Iac) 和方波電壓和方波電壓 (VRI) ，作為整，作為整流器輸入電壓。流器輸入電壓。 等效負(fù)載阻抗為等效負(fù)載阻抗為142. 操作原理和基波近似操作原理和基波近似AC 等效電路等效電路 (L-L-L-

9、C)VOLmLlkpCrRoVinVdFVROFLmLlkpCrRacLlksn:1n2LlksVd+-228aconRR+-VRI+-2222224sin()24sin()2(1) ()(1)oFFROoRIFFinddinmacrmlksacopn VtVn Vn VMVVVVtL R CjLn LR222811,/()acooprrprpmlkprlkpmlksnRRL CL CLLLLLLn L- Lr 利用次級線圈短路在初級測量得到 - Lp 利用次級線圈開路在初級測量得到 152. 操作原理和基波近似操作原理和基波近似簡化的簡化的 AC 等效電路等效電路 (L-L-C)VOLmLl

10、kpCrRoVinVinFVROFLp-LrLrCrLlksn:1Vd+-+VRI+-1:pprLLL2/()/rlkpmlkslkpmlkpLLLn LLLLplkpmLLLacR設(shè)設(shè) Llkp=n2Llks2222222()12(1)() (1)(1)21pOinoopkkn VMkVjQk222222()2() (1)(1)prppOpinoorpLLLn VMLVjQL用 Lp 和 Lr 來表示/rracLCQRmlkpLkL- Lr 利用次級線圈短路在初級測量得到 - Lp 利用次級線圈開路在初級測量得到 16增益特性 存在兩個諧振頻率（fo 和 fp） 不管負(fù)載怎么變化，在諧振頻率

11、 (fo) 處增益都是固定的。 峰值增益頻率在 fo 和 fp 之間 隨著 Q 降低（如負(fù)載降低）, 峰值增益頻率向 fp 移動，得到較高的峰值增益。 隨著 Q 上升（如負(fù)載增加）, 峰值增益頻率向 fo移動，峰值增益下降。LLC resonant Converter0.60.81.01.21.41.61.82.0405060708090100110120130140freq (kHz)GainQ= 1Q= 0.8Q= 0.6Q= 0.4Q= 0.2fofp1pprLkMkLLQ=0.2Q=1/rracLCQR頻率 LLC 諧振變換器2. 操作原理和基波近似操作原理和基波近似172. 操作原理

12、和基波近似操作原理和基波近似對于不同的 k 值，峰值增益（可獲得最大增益）隨 Q 變化11.21.41.61.82.02.22.40.20.40.60.811.21.4k=1.5k=1.75k=2k=2.5k=3k=4k=5k=7QPeak Gaink=9峰值增益峰值增益1850占空比半橋諧振占空比半橋諧振(LLC)ZVS，效率高，效率高內(nèi)置內(nèi)置MOS寄生二極管反向恢復(fù)快，達(dá)寄生二極管反向恢復(fù)快，達(dá)120ns 死區(qū)時間固定死區(qū)時間固定350ns可調(diào)間歇工作模式可在輕載時限制頻率降低功耗可調(diào)間歇工作模式可在輕載時限制頻率降低功耗在控制腳可簡單實(shí)現(xiàn)在控制腳可簡單實(shí)現(xiàn)ON/OFF控制控制保護(hù)齊全保護(hù)

13、齊全OVP,OLP,OCP,AOCP,TSDFSFR系列特點(diǎn)及輸出功率系列特點(diǎn)及輸出功率19FSFR系列內(nèi)框圖系列內(nèi)框圖20FSFR系列工作線路系列工作線路R1923kC231n400VIC1KA431231VFBC23A10nC2550V/1uT1R161KC122nR2533kFBSGHVCCRTCSPGVCTRLVCCVDL435V/1000u24V /8AR171kR222.2kC235V/1000uL18uHC50.15uR293kR117.5kD6UF4007R1210kC335V/1000uR6910RC750V/10uVCCR300.2RVFBR287

14、.5kOP1PC8171243D2FYPF2010C240.1u21簡單的簡單的ON/OFF 控制控制CONCON 腳電壓腳電壓0.6V IC 恢復(fù)工作恢復(fù)工作22 FSFR系列產(chǎn)品保護(hù)功能系列產(chǎn)品保護(hù)功能檢測諧振電流VCS5V OLP檢測LVCC電壓LVCC23V OVP檢測諧振電流VCS130C TSD23OCP 保護(hù)波形保護(hù)波形輸出短路輸出短路 OCP觸發(fā)觸發(fā)輸出過載輸出過載 OCP觸發(fā)觸發(fā)24軟起動功能軟起動功能通常軟啟動頻率是正常工作頻率的23倍25軟起動波形軟起動波形26C2810n5VSR48A1kR1322kC3810V/470UR40100R570PFC VCCPFC VCC

15、C350.1uC4022u/25VC1916V/1000uC2550V/1uQ3237C1316V/1000uIC1KA431231L18uHOP1PC8171243L48uHN1R446.2KR481kQ42N4401R1447kC39100ND141N4148C110nR351KD43A 600VR1133k5V /5AR2710-D12SR560R496.2KR23120K 2WC30400Vac/470pR583KD22010FBSGHVCCRTCSPGVCTRLVCCVDL2233kR34100kIC2KA431231C81U 630VR1710kD9201

16、0Q12N4403C1816V/1000uPFC BUSOP3H11A817A1243R331kOP2PC817A1243R541kL3N1:N2=126:11 520UH1,24,51110R15-(NTC)R451kR253kPFC BUSC2610nM1Q6R5675KD171N4148ON/OFFC635V/1000uVCC INC43250Vac/0.22uVCCR3120K ZD127VR9330RC1510nR553KR19810-D 131N4004R393-3904Q5R4120K R1522kR5010RC4733p-+BD1T4SB80R40A100L28uHR210RL

17、7COILD111N4937C4233pR720C1116V/1000uC750V/47uR43100RFBDrainGNDSycVccVstrU3FSQ31114382765C1216V/1000uD151N4148C29250Vac/0.22uC335V/1000uR300.67RR521kL58uH24VC440.1uL6LCL-F112C1510n17.5VZD412VC1450Vac/0.1uIC3KA431231Q22N4403R21120K R122.7kR4110RC2050Vac/0.1uL8LCL-F112C2250V/47uC33102PR3810KT2EC28VCC I

18、NR161KVCCC21450V/220uC4522UF 50VPFC BUSD161N4148R4710KR8510KR511kR293kZD230VR1010-R24120K 2WR461kC2310nD52010R51MC46100nFR2610-C235V/1000uT1R2833kC2710nC1716V/1000uZD330VD13A 600VR4210RC435V/1000uC240.1u12V /5AVCCGNDOUTINVMOTCOMPCSZCDU213245786R3210RC34102PR371KR3123k12VC41220nC31400Vac/470pR184.7kC

19、3610V 1000UD6UF4007C3710V 1000UC10 270pR531kF12A/250VacR361KXS1LN135VS/0.5A24V /6AC32400Vac/470pD84148C91U 630VR20810-D181N4937C550Vac/0.1uCRM PFC FAN7530LLC FSFR2100STAND BY FSQ311LCD電源方案電源方案27 設(shè)計流程設(shè)計流程使用FSFR2100設(shè)計的實(shí)例- 輸入電壓：400Vdc（PFC 輸出）- 輸出：24V/8A (192W)- 保持時間要求：20ms- PFC 輸出電容：220uF28定義系統(tǒng)參數(shù)定義系統(tǒng)參數(shù)

20、 預(yù)估效率 (Eff) 輸入電壓范圍：最小輸入電壓必須考慮保持時間min2.2inHUinO PFCDLP TVVC【第一步第一步】29選擇選擇 m，確定諧振網(wǎng)絡(luò)的最大和最小壓增益，確定諧振網(wǎng)絡(luò)的最大和最小壓增益 一般，一般，m 取取 37，此時諧振頻率，此時諧振頻率 (fo) 下的增益下的增益為為 1.11.2 【第二步第二步】30確定變壓器圈數(shù)比確定變壓器圈數(shù)比 (n=Np/Ns) maxmin2()pinsoFNVnMNVV計算等效負(fù)載阻抗計算等效負(fù)載阻抗 (Rac) 2228oacon VRP（設(shè)計實(shí)例）【第三、四步第三、四步】31設(shè)計諧振網(wǎng)絡(luò)設(shè)計諧振網(wǎng)絡(luò) - 利用第二步選擇的 m值，從增益曲線中讀取合適的 Q 值m=5, =1.28 考慮考慮15的余的余量，取量，取 =1.47讀取讀取Q=0.4【第第五五