LLC變換器實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍開關(guān)管ZVS工作的技術(shù)要點(diǎn)

什么？設(shè)計(jì)出來的LLC不好用??？

導(dǎo)致LLC變換器不好用的原因其實(shí)有很多，諧振參數(shù)、全范圍軟開關(guān)設(shè)計(jì)、空載穩(wěn)壓設(shè)計(jì).......等都有可能出差錯（反正不是你的問題）

首先我們知道LLC變換器屬于龐大的諧振變換器拓?fù)浼易逑盗?。諧振腔是該拓?fù)湎盗械幕A(chǔ)特征，是一組以特定頻率（稱為諧振頻率）振蕩的電感器和電容器組成的電路。與傳統(tǒng)PWM（脈寬調(diào)節(jié)）變換器相比，LLC可以通過控制開關(guān)頻率（頻率調(diào)節(jié)）來實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路，這種開關(guān)模式的 DC/DC 電源變換器允許采用更高開關(guān)頻率 (Fsw)，并且降低了開關(guān)損耗，因此更適用于高功率和高效率應(yīng)用。

正是由于LLC諧振變換器能滿足現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)苛刻的性能要求而成為電力電子領(lǐng)域的熱門話題，但這≠每個(gè)人都能成功設(shè)計(jì)出來......

經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)踐與驗(yàn)證（折磨），茂睿芯研發(fā)團(tuán)隊(duì)的小伙伴們總結(jié)了一些LLC應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的方法~今天我們先分享4點(diǎn)！

一、諧振參數(shù)的選擇

LLC變換器雖然適合高頻工作，但是一味地追求整個(gè)系統(tǒng)在較高的開關(guān)頻率運(yùn)行反而會損失效率。因此，在設(shè)計(jì)的初始階段，需要根據(jù)設(shè)計(jì)的散熱方式、功率密度、磁件性能、開關(guān)器件來選擇合理的額定工作頻率。

（圖1 TDK PC47磁心損耗表）

工業(yè)電源領(lǐng)域大多數(shù)的設(shè)計(jì)會選擇100KHz左右的諧振頻率。明確諧振頻率后便著手設(shè)計(jì)諧振參數(shù)，諧振參數(shù)產(chǎn)生的增益曲線會與負(fù)載功率水平有關(guān)系。一般情況下，系統(tǒng)的最惡劣工作點(diǎn)在最高輸出電壓、最大輸出電流、最低輸入電壓這幾個(gè)條件同時(shí)存在時(shí)，負(fù)載產(chǎn)生的阻尼效果最強(qiáng)，諧振增益尖峰會被降低，輸出電壓也會降低。

（圖2 不同負(fù)載下的諧振增益曲線）

設(shè)計(jì)者需要極力避免以下情況，如果反饋閉環(huán)繼續(xù)降低開關(guān)頻率，則可能進(jìn)入ZCS容性區(qū)域，導(dǎo)致開關(guān)管失去ZVS，使得閉環(huán)控制的增益不再單調(diào)，那么系統(tǒng)會進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，一般工程設(shè)計(jì)首先需要考慮系統(tǒng)的輸出電壓范圍，這決定了諧振參數(shù)所需產(chǎn)生的最大增益。

在最惡劣情況下，設(shè)計(jì)者需要保證諧振增益曲線能滿足輸出電壓范圍的需求。事實(shí)上這里存在兩種不同情況：

①如果系統(tǒng)的輸出電壓變化很窄，比如服務(wù)器電源，挖礦機(jī)電源等應(yīng)用，可以把增益曲線設(shè)計(jì)的放平緩，加大勵磁電感量，可以減少勵磁電流。

②如果系統(tǒng)的輸出電壓范圍很寬，比如車載OBC，充電樁模塊等應(yīng)用，就需要設(shè)計(jì)陡峭的增益曲線，減小勵磁電感量，來滿足寬范圍的輸出應(yīng)用。

以上兩種措施雖然都是LLC變換器的設(shè)計(jì)，但是因地制宜采取的方式還是截然不同的，如果能在設(shè)計(jì)之初提前考慮到這些情況的發(fā)生，無疑能更快達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷。

二、全范圍軟開關(guān)設(shè)計(jì)

LLC變換器的顯著優(yōu)勢是基本上可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的開關(guān)管ZVS工作，如果要實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)要點(diǎn)，需要考慮勵磁電感、死區(qū)時(shí)間、開關(guān)管的Coss、變壓器繞組寄生電容等電路諸多參數(shù)的搭配。

（圖3 ZVS和勵磁電感量的一個(gè)簡單計(jì)算）

假設(shè)一個(gè)初始設(shè)計(jì)目標(biāo)為：ZVS需要勵磁電感需在死區(qū)時(shí)間內(nèi)對LLC開關(guān)橋臂的中點(diǎn)注入或抽取電流，將上下兩個(gè)開關(guān)管的Coss電容充電/放電，讓其電壓提升到直流母線電壓的大小。

簡單算法：假設(shè)開關(guān)管的Coss大小基本不會隨著VDS電壓變化，即可計(jì)算出在死區(qū)時(shí)間內(nèi)將Coss電容電壓提升到VIN或放電到0所需的電流，然后根據(jù)該電流去計(jì)算所需要的最大勵磁電感量，在此之前勵磁電感量通常需要根據(jù)諧振參數(shù)和增益曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算出的勵磁電感可以作為一個(gè)能保證實(shí)現(xiàn)ZVS設(shè)計(jì)的校驗(yàn)條件。如果根據(jù)諧振增益曲線設(shè)計(jì)的勵磁電感量低于上述滿足ZVS的最大勵磁電感量，即可使用；反之，還需要仔細(xì)優(yōu)化參數(shù)，來保證ZVS的實(shí)現(xiàn)。

三、空載穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

反饋控制在空載情況下會拉升至最高開關(guān)頻率，這種情況在理論上應(yīng)該能有效降低諧振增益，用于穩(wěn)定輸出電壓，而在一些實(shí)際應(yīng)用中，諧振增益曲線即使在高頻下的增益已經(jīng)很低，但空載電壓依然不容易穩(wěn)定。發(fā)生這種情況有可能是變壓器的繞組寄生電容也參與了諧振，其次，在高頻情況下使用FHA分析方法也不能準(zhǔn)確地描述增益性能，所以LLC的空載穩(wěn)壓工作有時(shí)候也是令人頭疼的問題。

解決方法還是需要從諧振增益曲線著手，比如減小勵磁電感量或者再調(diào)整諧振參數(shù)；除此以外，還可以采取讓開關(guān)頻率達(dá)到最高設(shè)定頻率，如果還不能穩(wěn)定空載電壓可使系統(tǒng)進(jìn)入burst mode，則通過間歇性工作，來降低向負(fù)載傳遞的平均功率能量，用于實(shí)現(xiàn)空載穩(wěn)壓。

（圖4 空載情況下BM工作）

四、短路和過流考慮

LLC變換器如果是直接頻率控制，那諧振電流便無法參與環(huán)路控制，因此判斷短路和過流的方法，通常是使用諧振電流的平均值，即監(jiān)測諧振電流瞬時(shí)值，得到其低通濾波器后的平均值，使用該平均值指示系統(tǒng)諧振電流的幅度。

(圖5 諧振電流平均值濾波器設(shè)置)

諧振電流的平均值在負(fù)載電流增加時(shí)也會同步增大幅度，因此當(dāng)諧振電流平均值上升到過流保護(hù)比較器設(shè)定的保護(hù)點(diǎn)時(shí)，過流保護(hù)策略會起作用。其原理是通過快速提升系統(tǒng)工作頻率，來增大諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗，實(shí)現(xiàn)減少傳輸負(fù)載功率，達(dá)到過流保護(hù)。但是該策略只有在系統(tǒng)正常工作情況下會比較有用，而當(dāng)輸出側(cè)短路時(shí)，就需要提升更快的工作頻率或者直接關(guān)機(jī)來防止系統(tǒng)損壞。

這其中存在的矛盾是，我們使用低通濾波器將諧振電流瞬時(shí)值改變?yōu)槠骄?/strong>后再進(jìn)行的比較。因此這個(gè)低通濾波器的時(shí)間常數(shù)設(shè)置尤為重要，同時(shí)還需要考慮負(fù)載可能存在的負(fù)載峰值功率輸出時(shí)，會存在短時(shí)間大電流脈沖。如果該濾波器時(shí)間常數(shù)設(shè)置地太慢，會導(dǎo)致短路或過流保護(hù)不及時(shí)而損壞開關(guān)管；而濾波器時(shí)間常數(shù)設(shè)置地太快，短時(shí)間的峰值功率輸出可能更容易觸碰到過流保護(hù)策略，浪涌測試時(shí)也更容易影響到輸出不穩(wěn)定。因此低通濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)，需要考慮穩(wěn)態(tài)工作和異常工作的矛盾，仔細(xì)優(yōu)化和完善的測試，才能保證系統(tǒng)的性能。