1.3LLC串联谐振变换器

刚才我们提到了很多谐振拓扑

这其中最受欢迎的

也是应用最广泛的

莫过于 LLC 串联谐振变换器了

那我们就通过这个拓扑

来深入理解谐振变换器吧

相比其他谐振拓扑

LLC 之所以能够在业界广为应用

主要是它可以将两个谐振元件

集成在一个变压器之中

不仅减少了体积

也大大节约了成本

由于在全负载范围内都能实现软开关

使高频化也成为可能

另外除了在原边的开关能够实现零电压导通

当开关频率小于谐振频率的时候

副边的二极管电流也能实现零电流关断

当开关频率等于谐振频率的时候

我们可以看到它的网络增益为 1

此时谐振变换器的效率是最优的

根据我们前面推导的一个等效电路

我们可以很容易的求出

电路的增益表达式

从这个增益曲线可以看出

它有两个谐振频率点

分别是 fr 和 fm

fm 是励磁电感与谐振电感

谐振电容的谐振频率

fr 是励磁电感不参与谐振的情况下

谐振电感谐振电容的谐振频率

这个时候励磁电感是被输出电压所钳位的

接下来我们来看看谐振网络的

元件是如何影响谐振网络的增益的

从上面这两个图可以看出

通过增大励磁电感和谐振电感的比值

我们可以看到峰值增益相应的下降

并且曲线变得越来越平滑

这就意味着变换器能够

调节的电压范围变小

同时工作频率波动范围也越来越宽

对控制器的要求也就越高

从这个角度讲

我们希望这个两个电感的比值越小越好

另外从这三个图中可以看出

随着谐振电感和谐振电容的比值逐步增大

这两个谐振频率之间的差值也在变大

这就意味着改变相同的增益

所需要变化的频率范围更大了

这也是我们所不希望看到的

为了使变换器能够调节更宽的电压范围

并且频率波动的范围更小

我们需要尽量的减少这两个比值

但是如果通过减小励磁电感

来减小两个电感的比值

则会造成励磁电流比较大

而励磁电流只能在原边循环

而不会传递到副边

带来的是原边的导通损耗

就会降低整个变换器的效率

由此可见

这两个比值的选择

关系到整个谐振变换器的工作性能

由于 LLC 能够实现软开关

解决了开关损耗的问题

我们就可以把开关频率做得很高

同时也能保持很高的效率

有利于我们减小变换器的尺寸

提高功率密度

这边是一个输出功率为一千瓦

开关频率为一兆赫兹的

LLC 谐振变换器的设计实例

它的体积只有六立方英寸

功率密度高达 165 瓦每立方英寸

而重量只有 210 克

这个图是它的一些工作的波形图

绿色的波形是原边开关管的 VDS 电压

从这个绿色的波形可以看出

由于零电压导通

MOS 管上的 VDS 波形非常的干净

没有任何过冲或者是振荡

大大减少了开关电源中的噪声和干扰

而同时也实现了比较高的效率

在这个设计中峰值效率为 97.6%

刚才我们提到了很多谐振拓扑

这其中最受欢迎的

也是应用最广泛的

莫过于 LLC 串联谐振变换器了

那我们就通过这个拓扑

来深入理解谐振变换器吧

相比其他谐振拓扑

LLC 之所以能够在业界广为应用

主要是它可以将两个谐振元件

集成在一个变压器之中

不仅减少了体积

也大大节约了成本

由于在全负载范围内都能实现软开关

使高频化也成为可能

另外除了在原边的开关能够实现零电压导通

当开关频率小于谐振频率的时候

副边的二极管电流也能实现零电流关断

当开关频率等于谐振频率的时候

我们可以看到它的网络增益为 1

此时谐振变换器的效率是最优的

根据我们前面推导的一个等效电路

我们可以很容易的求出

电路的增益表达式

从这个增益曲线可以看出

它有两个谐振频率点

分别是 fr 和 fm

fm 是励磁电感与谐振电感

谐振电容的谐振频率

fr 是励磁电感不参与谐振的情况下

谐振电感谐振电容的谐振频率

这个时候励磁电感是被输出电压所钳位的

接下来我们来看看谐振网络的

元件是如何影响谐振网络的增益的

从上面这两个图可以看出

通过增大励磁电感和谐振电感的比值

我们可以看到峰值增益相应的下降

并且曲线变得越来越平滑

这就意味着变换器能够

调节的电压范围变小

同时工作频率波动范围也越来越宽

对控制器的要求也就越高

从这个角度讲

我们希望这个两个电感的比值越小越好

另外从这三个图中可以看出

随着谐振电感和谐振电容的比值逐步增大

这两个谐振频率之间的差值也在变大

这就意味着改变相同的增益

所需要变化的频率范围更大了

这也是我们所不希望看到的

为了使变换器能够调节更宽的电压范围

并且频率波动的范围更小

我们需要尽量的减少这两个比值

但是如果通过减小励磁电感

来减小两个电感的比值

则会造成励磁电流比较大

而励磁电流只能在原边循环

而不会传递到副边

带来的是原边的导通损耗

就会降低整个变换器的效率

由此可见

这两个比值的选择

关系到整个谐振变换器的工作性能

由于 LLC 能够实现软开关

解决了开关损耗的问题

我们就可以把开关频率做得很高

同时也能保持很高的效率

有利于我们减小变换器的尺寸

提高功率密度

这边是一个输出功率为一千瓦

开关频率为一兆赫兹的

LLC 谐振变换器的设计实例

它的体积只有六立方英寸

功率密度高达 165 瓦每立方英寸

而重量只有 210 克

这个图是它的一些工作的波形图

绿色的波形是原边开关管的 VDS 电压

从这个绿色的波形可以看出

由于零电压导通

MOS 管上的 VDS 波形非常的干净

没有任何过冲或者是振荡

大大减少了开关电源中的噪声和干扰

而同时也实现了比较高的效率

在这个设计中峰值效率为 97.6%