LLC变换器设计的关键考量因素

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LLC 变换器的设计涉及众多的设计决策与关键参数,而且很多因素相互关联。任何一个设计选择都可能影响系统中的许多其他参数。LLC 谐振腔的设计是其中最大的挑战,因为它决定了变换器响应负载、频率和电压变化的能力。因此,设计人员必须正确定义变换器负载和频率的工作范围,因为这些值会影响谐振腔的值与参数来。

本系列的两篇文章将讨论 LLC变换器设计的关键考量因素。 第I部分 探讨了各种电源开关拓扑和 LLC 谐振腔的特性。本文为第II部分,将介绍 LLC 变换器设计中的重要参数,包括增益、负载、频率和电感。

LLC变换器增益

影响LLC 变换器增益的两个模块是谐振腔和变压器。谐振腔增益是可变的,具体取决于负载 (Q)、归一化频率 (fN)和归一化电感 (LN)。变换器的增益响应 (MG为Q, LN和fN的函数,通过公式 (1) 来计算:

$$M_G(Q,L_N,f_N) = frac {V_{OUT(AC)}}{V_{IN(AC)}} = frac {f_N^2 times (L_N-1)} {(f_N^2 -1)^2 + (f_N^2 times (f_N^2 -1) times (L_N-1)^2 times Q^2}$$

变压器增益则由变压器原边线圈的匝数与副边线圈的匝数之比定义。该比率由变压器的物理结构定义,所以一旦变换器开始工作,就不能轻易改变。

图 1 显示了 LLC 变换器的增益路径。

变换器

图 1:LLC 变换器的增益路径

图 2 显示了带变压器的 LLC 谐振腔原理图。

变换器

图 2:带变压器的 LLC 谐振腔原理图

变换器的总增益 (VOUT/ 五IN) 为两个增益的乘积,可通过公式 (2) 来估算:

其中 n 为变压器的匝数比,MG则为 LLC 谐振腔增益。

理想情况下,谐振腔不会放大或衰减信号,而是滤除谐波。这意味着谐振腔的标称增益应为 1,并且变压器应是改变输出电压电平的唯一阶段。

但实际上,LLC 变换器常用于 AC/DC变换器。AC/DC 变换器通常由一个 AC/DC + PFC 转换级和一个 LLC DC/DC 变换器组成,用于将电压降到所需的水平(参见图 3)。

变换器

图3: AC/DC变换器功能模块

AC/DC + PFC 级将 AC 输入电压 (VIN) (例如来自 AC 电源的功率)转换为稳定的 DC 电压,同时还保持输入电流与 VIN 同相。PFC 级对确保设计符合国际标准(包括 ISO、UNSCC、IEEE 和 CISPR)规定的各项功率因数规范十分必要。AC/DC + PFC 级的输出电压 (VOUT) 在理想情况下是稳定的,但由于组件的非理想化, AC/DC 输出端往往会出现电压纹波,这通常是寄生电感和电容ESR导致的,这种电压纹波也会出现在 LLC 变换器的输入端。

由于变换器的 VIN 和变压器固定增益带来的变数,LLC 谐振腔需要补偿 VIN 带来的变化以获得恒定的 VOUT。因此,如果 VIN 低于标称值,谐振腔可稍稍放大信号以产生最大谐振腔增益;如果 VIN 超过标称值,则最小谐振增益可确保变压器原边绕组处的电压稳定在标称值,以保持稳定的 VOUT。

标称谐振增益 (MG- 诺米) 可以使用公式 (3) 来计算 (MG- 诺米):

最大谐振增益 (MG_MAX) 可以使用公式 (4) 来计算:

最小谐振增益 (MGMY_ 明度) 可以使用公式 (5) 来计算:

图 4 显示了 LLC 变换器的增益响应以及所需的最大、最小和标称谐振腔增益值。

变换器

图 4:LLC 变换器增益响应

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LLC变换器负载

如 第I部分所述,负载通过品质因数 (Q) 来表示,它影响谐振腔的最大增益以及峰值增益频率。谐振腔的峰值增益随负载的增加而降低。因此,即使在最坏的情况下(即负载最大时),满足最大增益要求也是非常重要的。

图 5 显示了 LLC 变换器对一系列负载的频率响应。

变换器

图 5:LLC 变换器频率响应

LLC变换器开关频率

负载对增益的影响是无法控制的,但可以通过改变 MOSFET 的开关频率 (fSW) 来保持威廉希尔官方网站 增益。如图 5 所示,尽管负载会影响变换器的最大增益,但增加负载也会将频率 (fMG_MAX 马克号) 拉至更高水平,并产生最大增益。

图 6 显示了 LLC 谐振腔中一系列不同负载的最大增益点,以虚线绘制。这条线将增益响应分为两个不同的区域。在感性区域(右侧),发生零电压切换,并且增益随着频率的降低而增加,直至达到峰值增益频率。然后变换器进入容性区域(峰值增益频率的左侧),在该区域降低频率也会降低增益。感性区域允许通过频率变化进行稳定的增益控制。

变换器

图 6:频率响应的容性区域和感性区域

一般不建议进入容性区域,因为当低边MOSFET (LS-FET) (S2) 晶体管的体二极管处于反向恢复状态时,高边MOSFET (HS-FET) (S1) 可能导通(参见图7)。这会造成潜在的半桥直通条件,从而导致 S2发生故障,或者,至少会降低变换器的效率。

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图 7:电源开关中的直通电流

不同的负载产生不同的频率响应和最大增益频率。要确定最小fSW,需要考虑最坏情况,即从最小负载转换至最大负载时(参见图 8)。当负载较小时,变换器工作在感性区域,但如果负载突然增加,工作点将进入容性区域。因此,应增加最小频率 (fMIN) 以确保所有负载的工作点都保持在感性区域。

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图 8:负载转移对工作区域的影响

因此,要建立稳定的频率范围, fMIN 必须等于过载情况下变换器的最大增益频率 (f概述)(参见图 9)。

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图 9:开关频率的稳定、不稳定和工作窗口期范围

一旦得到变换器的最小频率,就可以建立一个工作 fSW 范围。变换器的最大频率(fMAX) 受控制器和 MOSFET 最大频率的限制。但工作窗口期不需要很大,它可以通过最大和最小增益频率来定义,只要处于稳定频率范围即可。

LLC 谐振腔电感

归一化 LN 定义了峰值增益斜率,该斜率标志着感性区域和容性区域之间的界限,如图 10 所示。 在相同负载条件下,谐振腔的峰值增益取决于归一化 LN。

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图 10:具有不同归一化电感的 LLC 变换器的最大增益曲线

较小的 LN 可为更广范围的负载和操作提供高增益。另一方面,较小的 LN 也会带来较高的磁化电流,并使效率降低。

要选择适当的归一化 LN值,设计人员需要考虑负载最大时的最坏情况。LN 的选择必须能够提供足够的增益来补偿 VIN的任何缺陷,即使在过载条件下也是如此。

结语

LLC 变换器的设计是一个漫长而复杂的过程,需要根据特定的应用要求考虑多种因素。由于大量的参数以及这些参数之间的关系,设计过程通常跨越多次迭代与计算,可能导致设计时间过长。而MPS 提供 LLC设计工具 以及以及可配置的LLC 控制器 2010年3月30日 MIPF3等工具,可以显著加速开发过程。

        审核编辑:彭菁

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