LLC諧振轉(zhuǎn)換器原理及設(shè)計(jì)方案

LLC諧振轉(zhuǎn)換器原理及設(shè)計(jì)方案

時(shí)間：-O5-O7O1：O5：16來源：今日電子作者：飛兆半導(dǎo)體企業(yè)

JintaeKim

多種類型日勺LEDTV主功率級(jí)拓?fù)湎嗬^推出，例如非對(duì)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(shì)，但由于其設(shè)計(jì)復(fù)雜困難，因此在

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)換器日勺控制器，并且刊登了許多有關(guān)技術(shù)闡明和設(shè)計(jì)工具，讓其

設(shè)計(jì)變得更輕易，并使得這種技術(shù)獲得更多日勺關(guān)注。目前,LLC詣?wù)?/p>

轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為L(zhǎng)EDTV最流行日勺主功率級(jí)拓?fù)洹?/p>

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的杰出長(zhǎng)處有：（1）在整個(gè)負(fù)載范圍（包括輕載）

下都是以ZVS（zerovoltageswitching,零電壓開關(guān)）條件工作，從而

實(shí)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(jì)；（3）初級(jí)端所用開關(guān)的電壓應(yīng)力被鉗位在輸入電

壓上，而次級(jí)端兩個(gè)二極管上的電壓一直等于中心抽頭變壓器輸出

電壓日勺兩倍。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器可以工作在兩個(gè)不一樣類型的ZVS區(qū)域之內(nèi)一

種被稱為“上區(qū)域（aboveregion）”（或上諧振工作區(qū)域），這里，初級(jí)

端日勺環(huán)流變小，但次級(jí)端上的二極管為硬開關(guān)。另一種是“下區(qū)域”

(或下諧振工作區(qū)域)，這時(shí)，次級(jí)端上的二極管可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。本文

將簡(jiǎn)樸簡(jiǎn)介L(zhǎng)LC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(jì)環(huán)節(jié)。

圖1LLC諧振轉(zhuǎn)換器日勺基本電路

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理

圖1所示為L(zhǎng)LC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路。LLC諧振轉(zhuǎn)換器一般包括

一種帶MOSFET的控制器、一種諧振網(wǎng)絡(luò)和一種整流器網(wǎng)絡(luò)?？刂?/p>

器以5。％的占空比交替為兩個(gè)MOSFET提供門信號(hào)，隨負(fù)載變化

而變化工作頻率，調(diào)整輸出電壓Vout,這稱為脈沖頻率調(diào)制

(PFM)。諧振網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)諧振電感和一種諧振電容。諧振電感Lr、

Lm與諧振電容Cr重要作為一種分壓器，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(shí)際設(shè)計(jì)中，諧振網(wǎng)絡(luò)可由一

種采用如圖2所示的分段骨架(sectionalbobbin)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(duì)諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的

正弦波形進(jìn)行整流，然后傳播到輸出級(jí)。

□(1)

式中,Vd基本近似等于Vin/2,而Rac基本近似等于8n2Vout/2

71lOUt。

式(2)給出了采用如圖2所示的實(shí)際變壓器時(shí),LLC諧振轉(zhuǎn)換器的

電壓轉(zhuǎn)換比。在式(2)中可觀測(cè)到兩個(gè)諧振頻率。一種由Lp和Cr

決定，記為3P,另一種由Li?和Cr決定，記為⑥!?。運(yùn)用這個(gè)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3LLC諧振轉(zhuǎn)換器日勺增益曲線和工作區(qū)域

圖3中，每條曲線上以符號(hào)'+'標(biāo)注的最高值被稱為’峰值增

益’，位于兩個(gè)諧振頻率3P和3r之間。當(dāng)輸出負(fù)載越來越大時(shí)，峰

值增益值逐漸減小，其位置向更高頻率移動(dòng)。同步，以符號(hào)'x'標(biāo)注

日勺⑥r(nóng)時(shí)的諧振增益卻是固定的，不隨輸出負(fù)載日勺變化而變化。增益

曲線闡明在ZVS狀態(tài)下，伴隨諧振網(wǎng)絡(luò)日勺工作頻率增長(zhǎng)，增益減小，

輸出電壓減少。

□（2）

式中口。

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“x”的諧振頻率而分為三部分。首先，以峰值點(diǎn)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31?的J左邊是下區(qū)（below

region）,右邊是上區(qū)域（aboveregion）。當(dāng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作

在ZCS區(qū)時(shí)，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)當(dāng)工作在ZVS區(qū)，要充足運(yùn)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)工作頻率是不小于?r還是不不小于3,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日勺不一

樣特性。當(dāng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為上區(qū)域工作時(shí)，流到MOSFET

日勺環(huán)流不不小于下諧振工作上日勺,MOSFET日勺傳導(dǎo)損耗因此減小，從

而提高效率。不過，次級(jí)端上日勺二極管為硬開關(guān)，故必須采用肖特基

或UF（超迅速恢復(fù)）二極管來防止嚴(yán)重日勺反向恢復(fù)電流。鑒于此，像便

攜式.設(shè)備LCD日勺電源這樣日勺低壓應(yīng)用有時(shí)會(huì)考慮采用上諧振工作。

另首先，在下諧振工作的狀況下，流到MOSFET日勺環(huán)流比上諧振工

作時(shí)要大。不過下諧振工作容許次級(jí)端上的二極管進(jìn)行軟導(dǎo)通/關(guān)斷,

這樣就可以采用一般日勺迅速恢復(fù)二極管。下諧振工作是LED或PDP

TV等高壓應(yīng)用日勺首選。這些應(yīng)用中，輸出電壓稍高，因而不能使用低

額定電壓日勺周特基二極管。

因此，必須根捱應(yīng)用日勺規(guī)格和特性來選擇LLC諧振轉(zhuǎn)換器日勺工作

區(qū)域。下一節(jié)將討論LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作區(qū)域日勺選擇環(huán)節(jié)。

下諧振工作的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

圖4所示為一種LLC諧振轉(zhuǎn)換器在ioo%和1。％負(fù)載條件下的頻域

增益曲線。圖中,fop@io%load和fop@ioo%load為L(zhǎng)LC諧振

轉(zhuǎn)換器的工作頻率，分別是在ioo%和1。%負(fù)載條件下調(diào)整最大輸

入電壓Vin,max對(duì)應(yīng)的額定輸出電壓。Mfr代表諧振頻率fr下的

增益，是固定的，不隨負(fù)載變化加上所述，諧振頻率是把ZVS區(qū)域

劃分為上/下諧振工作的要點(diǎn)明此，當(dāng)把Vin,max條件下所需增益

設(shè)定至不小于Mfr,則雖然輸入電壓和輸出負(fù)載都減小，所需增益

也必然不會(huì)不不小于Mfro這意味著LLC諧振轉(zhuǎn)換器的J工作頻率不

不小于對(duì)應(yīng)Mfr的fr,故它總是工作在下區(qū)域。下面簡(jiǎn)介一種LED

TV電源的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。其輸入電壓由PFC（功率因數(shù)校正）提供，最小、

額定和最大輸入電壓分別為350、380和4OoVdc,輸出規(guī)格為

12OV/1.5A。此外，集成式變壓器使用分段骨架，控制器采用的是帶

有兩個(gè)MOSFETFSFR系列器件，這是飛兆半導(dǎo)體專為諧振半

橋型轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。

圖4LLC諧振轉(zhuǎn)換器日勺頻域增益曲線

?環(huán)節(jié)1選擇m和fr,并計(jì)算Mfr

運(yùn)用式2諧振頻率fr下的諧振增益Mfr可由下式求得:

□（3）

式.3中,m和fr都由設(shè)計(jì)人員選擇喏選擇日勺m值很小，峰值增益增

長(zhǎng)，且需要較大的Lr。若m值過小，需要外部電感，由于這時(shí)要在集

成式變壓器中獲得高值Lr實(shí)際上是相稱困難日勺。另首先，假如選擇

較大的m值，則峰值增益減少。由于Lr比Lp低，使用集成式變壓器

十分輕易。一般而言,m值在4?7之間是比較合理的。

當(dāng)m和fr分別設(shè)置為6kHz和iookHz時(shí)，求得諧振頻率下日勺諧

振增益為1.09。

?環(huán)節(jié)2確定最大增益

運(yùn)用公式(4)可求出所需最小和最大增益：

Mmin=(Vvirtual/Vin,max)Mfr,Mmax=(Vvirtual/Vin,min)

Mfr(4)

式中，Mmin和Mmax分別為最小和最大增益。Vvirtual是對(duì)應(yīng)于諧

振頻率日勺有效輸入電壓。

如前所述，假如諧振電壓下的Vvirtual被設(shè)定為不小于最大輸入

電壓Vin,max,則工作頻率將總是低于諧振頻率，于是設(shè)計(jì)出的LLC

諧振轉(zhuǎn)換器就會(huì)工作在卜諧振工作區(qū)域。

假定Virtual設(shè)為420Vdc并考慮到余裕,Mmin和Mmax可采用

式4計(jì)算：

Mmin=42o/4OOxi,i=i.i6/Mmax=42o/35Oxi.i=i.3i

考慮到因負(fù)載瞬態(tài)和輸入電壓變化，峰值增益應(yīng)具有一定余裕，

增長(zhǎng)10%日勺余裕是比較恰當(dāng)日勺，故合理日勺Mmax值為1.45。

?環(huán)節(jié)3確定集成式變壓器的匝數(shù)比

運(yùn)用環(huán)節(jié)2中求得日勺有效輸入電壓Vvirtual和合理日勺諧振增益

Mfr,集成式變壓器日勺匝數(shù)比可由式,（5）求得：

n=Vvirtual/2（Vout+VF）（5）

式中,Vout和VF分別是次級(jí)端二極管的額定輸出電壓和正向電壓

降。假如需要調(diào)整匝數(shù)比n,可回到環(huán)節(jié)2,增長(zhǎng)或減小有效輸入電

壓Vvirtual即可。在環(huán)節(jié)2中,Vvirtual已被設(shè)為420VdeVF取lVdc,

集成式變壓器的匝數(shù)比為

n=420/2（i20+i）xi.i=i.9

?環(huán)節(jié)4確定諧振網(wǎng)絡(luò)

）4

2J

2Q

飛」07030403060701810

Quot*xFodor

圖5根據(jù)峰值增益和不一樣m值找出對(duì)日勺的Q因子的］查找表

運(yùn)用圖5所示日勺這種查找表，可以根據(jù)峰值增益和不一樣日勺m值

找出對(duì)日勺日勺Q因子運(yùn)用m值和前面環(huán)節(jié)中獲得的所需最大增益，可

在圖5中選出對(duì)日勺的Q因子。一旦確定了對(duì)日勺日勺Q因子，諧振網(wǎng)絡(luò)

日勺參數(shù)就可運(yùn)用公式(6)求出。

Cr=i/(27iQfrRac),Lr=i/(2nfr)2Cr,Lp=Lrxm(6)