交流/直流和隔离式直流/直流开关稳压器

1.4宽输入输出范围谐振变换器

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前面我们大致介绍了 LLC 谐振变换器接下来我们探讨一下在宽范围输入或者输出电压的条件下如何选择合适的谐振拓扑 LLC 广泛应用于输入电压范围不是很宽的场景下因为在这种情况下我们不需要很高的增益可以选择比较大的励磁电感来减小原边的环流从而提高效率一般来说 LLC 作为隔离 DC-DC 变换器放在前级 PFC 后面而 PFC 的输出电压可以稳定在 390V 左右 PFC 的需求主要是由一些能效标准来推动的如 EN61000-3-2 能源之星和 80PLUS 都有相应的谐波失真度或者是功率因数方面的要求但是如果没有这方面的要求或者是不需要相关的认证很多客户会把前面这一级 PFC 去掉以降低成本假如说输入电压是 120 伏并且有 15% 的波动那如果没有 PFC 的情况下只采用二极管整流其输出电压可能在 100~200V 之间波动而这对于后期的 LLC 变换器就是 2:1 的输入电压范围远远大于带 PFC 时的输入电压范围另外如果是某些需要输出电压也变化的应用比如照明或者是电池充电宽输出电压范围也是一个挑战在这种情况下就要求谐振变换器用相当高的增益来实现整个范围内的电压调节根据前面的分析我们知道通常并联谐振比串联谐振拥有更高的增益这里我们对比了 LLC 和 LCC 的电压增益首先我们必须保证两个拓扑都工作在感性区域也就是增益曲线为负的那一段对于 LLC 来说开关频率必须设置在两个谐振点之间来获取较高的增益而对于 LCC 开关频率必须大于最高的谐振频率同样也是为了得到高增益并且保证工作在感性区域值得注意的是 LLC 的增益曲线的斜率取决于励磁电感和谐振电感的比值而 LCC 则取决于并联电容和谐振电感的比值所以如果我们希望得到比较陡峭的电压增益对于 LLC 我们需要保证励磁电感和谐振的电感的比值较小而对于 LCC 则必须保证并联的电容与谐振电感的比值较大另外值得注意的一点是 LCC 的增益曲线在频率比较高的时候可以减小到零如果我们需要将输出电压减小到零的话只需要将 LCC 的开关频率提高而 LLC 则做不到这一点这里有一个照明上的设计实例它的规格如下输入电压范围是 400 伏到 600 伏输出电压范围是 100 伏到 200 伏输出电流 1A 最大功率 200 瓦我们分别用 LCC 和 LLC 来实现看看它们之间的性能会有怎样的差别首先为了满足输入和输出电压的要求我们先确定变压器的匝比对于 LLC 谐振变换器而言它的增益即使在频率很高的时候依然接近 1 为了避免开关频率变化范围太大把最低增益设置为 1 此时输入电压最大而输出电压最小在这个条件下选择合适的变压器匝比其次我们需要给两个设计选择最优工作点为了公平起见在同样的输入输出条件下我们将两个变换器的开关频率都设置在 130kHz 然后我们就可以对两个变换器进行设计使它们的电压增益够高并且我们尽量增大并联元件包括 LLC 的励磁电感和 LCC 的并联电容的阻抗以减小原边的环流最终的设计参数如上所示然后它的增益曲线也可以在这里看到最终的设计得到的结果是在 400 伏输入电压和 200 伏输出电压的条件下 LLC 和 LCC 都工作在 130kHz 但是随着输入电压的增加和输出电压的减小 LLC 的变化范围明显大于 LCC 如果输入范围或者输出电压范围进一步增大 LLC 可能就无法满足了通过这边的仿真结果可以看出在同样的输入和负载条件下 LCC 的原边电流有效值会更大一些这就意味着更大的导通损耗所以 LLC 通常的效率要比 LCC 的效率高一点这就要求我们在设计的时候需要在效率和稳压范围之间做一些权衡总而言之 LCC 的频率波动范围比 LLC 小但是在同样条件下 LCC 的原边电流有效值可能会比 LLC 大