LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理及設(shè)計實例

引言

　　最近，帶LED(發(fā)光二極管)背光單元的 LCD(液晶顯示)電視(下稱LED TV)的市場開始大幅增長，眾多制造商紛紛致力于研發(fā)更纖薄高效的解決方案。各廠商相繼推出多種類型的LED TV主功率級拓撲，比如非對稱半橋轉(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)換器雖然相比其它轉(zhuǎn)換器具有更多優(yōu)勢，但因為其設(shè)計復(fù)雜困難，所以在過去很少受到關(guān)注。不過，這幾年間，IC制造商已開發(fā)出用于 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的控制器，而且發(fā)表了許多相關(guān)技術(shù)說明和設(shè)計工具，讓其設(shè)計變得更容易，并使得這種技術(shù)獲得更多的關(guān)注?，F(xiàn)在，LLC諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為 LED TV最流行的主功率級拓撲。

　　LLC諧振轉(zhuǎn)換器的出色優(yōu)點有：a) 在整個負載范圍(包括輕載)下都是以ZVS (zero voltage switching, 零電壓開關(guān))條件工作，從而實現(xiàn)高效率;b) 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;c)初級端所用開關(guān)的電壓應(yīng)力被鉗位在輸入電壓上，而次級端兩個二極管上的電壓始終等于中心抽頭變壓器輸出電壓的兩倍。

　　LLC諧振轉(zhuǎn)換器可以工作在兩個不同類型的ZVS區(qū)域之內(nèi)。一個被稱為‘上區(qū)域(above region)’(或上諧振工作區(qū)域)，這里，初級端的環(huán)流變小，但次級端上的二極管為硬開關(guān)。另一個是‘下區(qū)域’(或下諧振工作區(qū)域)，這時次級端上的二極管可實現(xiàn)軟開關(guān)。本文將簡單介紹LLC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)計步驟。

　　LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理

　　圖1所示為LLC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路。LLC諧振轉(zhuǎn)換器一般包含一個帶MOSFET的控制器、一個諧振網(wǎng)絡(luò)和一個整流器網(wǎng)絡(luò)?？刂破饕?0%的占空比交替為兩個MOSFET提供門信號，隨負載變化而改變工作頻率，調(diào)節(jié)輸出電壓Vout，這稱為脈沖頻率調(diào)制(PFM)。諧振網(wǎng)絡(luò)包括兩個諧振電感和一個諧振電容(L-L-C)。諧振電感 Lr、Lm 與諧振電容Cr 主要作為一個分壓器，其阻抗隨工作頻率而變化(如式1所示)，以獲得所需的輸出電壓。在實際設(shè)計中，諧振網(wǎng)絡(luò)可由一個采用如圖2所示分段骨架(sectional bobbin)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)對諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的正弦波形進行整流，然后傳輸?shù)捷敵黾墶?/span>

　　式1

　　式2給出了采用如圖2所示的實際變壓器時，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比。在式2中可觀察到兩個諧振頻率。一個由Lp 和 Cr 決定，記為ωp，另一個由Lr 和 Cr決定，記為ωr。利用這個公式，可獲得LLC諧振轉(zhuǎn)換器隨頻率和負載變化的增益特性曲線，見圖3所示

　　如圖3所示，每條曲線上以符號‘+’標注的最高值被稱為‘峰值增益’，位于兩個諧振頻率ωp 和 ωr 之間。當輸出負載越來越大時，峰值增益值逐漸減小，其位置向更高頻率移動。同時，以符號‘×’標注的ωr時的諧振增益卻是固定的，不隨輸出負載的變化而變化。增益曲線說明在 ZVS狀態(tài)下，隨著諧振網(wǎng)絡(luò)的工作頻率增加，增益減小，輸出電壓降低。

　　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)域可標注為‘+’的峰值增益和標注為‘×’的諧振頻率而分為3部分。首先，以峰值點為界，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ωr的左邊是下區(qū)(below region)，右邊是上區(qū)域(above region)。當LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作在ZCS區(qū)時，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)該工作在ZVS區(qū)，要充分利用最小工作頻率的限制不讓帶MOSFET 的LLC諧振轉(zhuǎn)換器進入ZCS區(qū)。

　　如上所述，根據(jù)工作頻率是大于ωr還是小于ω，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彼此間的不同特性。當LLC諧振轉(zhuǎn)換器被設(shè)計為上區(qū)域工作時，流到MOSFET的環(huán)流小于下諧振工作的，MOSFET的傳導損耗因此減小，從而提高效率。不過，這時次級端上的二極管為硬開關(guān)，故必須采用肖特基或UF(超快速恢復(fù))二極管來防止嚴重的反向恢復(fù)電流。鑒于此，象便攜式設(shè)備LCD的電源這樣的低壓應(yīng)用有時會考慮采用上諧振工作。另一方面，在下諧振工作的情況下，流到MOSFET的環(huán)流比上諧振工作的要大。不過下諧振工作允許次級端上的二極管進行軟導通/關(guān)斷，這樣就可以采用普通的快速恢復(fù)二極管。下諧振工作是LED或PDP TV等高壓應(yīng)用的首選。這些應(yīng)用中，輸出電壓稍高，因而不能使用低額定電壓的肖特基二極管。

　　因此，必須根據(jù)應(yīng)用的規(guī)格和特性來選擇LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域。下一節(jié)將討論LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作區(qū)域的選擇步驟。

　　下諧振工作的設(shè)計步驟

　　圖4所示為一個 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器在100%和10%負載條件下的頻域增益曲線。圖中，fop@10%load 和 fop@100%load 為LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的工作頻率，分別在100% 和 10%負載條件下調(diào)節(jié)最大輸入電壓Vin,max對應(yīng)的額定輸出電壓。Mfr 代表諧振頻率 fr 下的增益，是固定的，不隨負載變化。如上所述，諧振頻率是把ZVS區(qū)域劃分為上/下諧振工作的關(guān)鍵點。因此，當把Vin,max 條件下所需增益設(shè)定至大于Mfr, 則即使輸入電壓和輸出負載都減小，所需增益也必然不會小于Mfr 。這意味著LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的工作頻率小于對應(yīng) Mfr 的 fr，故它總是工作在下區(qū)域。下面介紹一個LED TV 電源的設(shè)計步驟。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 400 Vdc。輸出規(guī)格為120 V / 1.5 A。另外，集成式變壓器使用分段骨架，控制器采用的是帶有兩個MOSFET的FSFR系列器件，這是飛兆半導體專為諧振半橋型轉(zhuǎn)換器而設(shè)計的產(chǎn)品。

　　步驟1. 選擇m 和 fr ，并計算Mfr

　　利用式2，諧振頻率fr 下的諧振增益Mfr 可由下式求得：

　　式3

　　上式中，m 和 fr 都由設(shè)計人員選擇。若選擇的m值很小，峰值增益增加，且需要較大的Lr。若m值過小，需要外部電感，因為這時要在集成式變壓器中獲得高值 Lr 實際上是相當困難的。另一方面，如果選擇較大的m值，則峰值增益降低。由于Lr 比 Lp低，使用集成式變壓器十分容易。一般而言，m值在4-7之間是比較合理的。

　　[設(shè)計實例]

　　當 m 和 fr 分別設(shè)置為 6 和 100 kHz時，求得諧振頻率下的諧振增益為1.09。

　　步驟2. 確定最大增益

　　利用下列公式可求出所需最小和最大增益：

　　式4

　　這里，Mmin 和 Mmax 分別為最小和最大增益。Vvirtual 是對應(yīng)于諧振頻率的有效輸入電壓。

　　如前所述，如果諧振電壓下的Vvirtual 被設(shè)定為大于最大輸入電壓Vin,max，則工作頻率將總是低于諧振頻率，于是設(shè)計出的LLC諧振轉(zhuǎn)換器就會工作在下諧振工作區(qū)域。