詳解半橋LLC效率低下原因及解決方法

LLC電路擁有開關(guān)損耗小的特點，適用于高頻和高功率的設(shè)計。但很多人會遇到自己設(shè)計出的LLC電路功率偏低的問題，導(dǎo)致LLC電路功率低下的問題多種多樣，本文將以一個半橋諧振LLC為例，全面的觀察功率低下的原因，并試著給出相應(yīng)的解決辦法。

在這個例子當(dāng)中，LLC和PFC基本都在運行，但效率僅為88%，經(jīng)過多次試驗得出如下一組參數(shù)，能獲得87-88%的效率，便無法在繼續(xù)提高。下面是諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)和波形。

PFC鐵硅鋁磁環(huán)AS130，外徑33mm，磁導(dǎo)率60，電感量330uH,75圈0.75MM銅線。

PFC二極管：MUR460；

PFCMOSFET:7N60；

PFC輸出電壓395V，能正常運行；

負(fù)載：輸出24V,6A146W；

LLC級諧振網(wǎng)絡(luò)：

諧振電感：Ls175uH；

諧振電容：Cs，15nF；

勵磁電感：Lm,850uH；

M=Lm/Ls=5；

Q=0.5；

Fr=100KHZ；

磁芯：EER3542/Np44/5/5變壓器匝比8.5，初級3股0.4，次級6股0.4。

開關(guān)：7N60

二極管20/150肖特基（沒有特意匹配適合的功率器件，經(jīng)過計算二極管用60V就可以了。）

滿載150瓦開關(guān)頻率82K，略低于諧振頻率，波形如圖1所示，看起來算是正常。

圖1

黃色為半橋中點

藍(lán)色為用電流互感器測試到的諧振網(wǎng)絡(luò)的電流波。

下面就針對效率低下的問題，找出了幾個思考點，試著從中找出效率低下的原因。

思考1

因為工作在低于諧振頻率時，也是ZVS狀態(tài)，而且次級能ZCS。所以也是比較有吸引力。但是初級MOSFET關(guān)斷電流為勵磁電感的最大電流，所以較低的勵磁電感會造成MOSFET關(guān)閉耗損加大。在第一次的參數(shù)中初級勵磁電感只有550uH,針對這點重新計算了諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，將勵磁電感提高到了850uH，但是問題依然是存在。

相比550uH的勵磁電感而言但是效率還是有一點提升的，至少在空載時看到的勵磁電感電流的峰值是下降了。

圖2

思考2：

次級二極管在初級的諧振網(wǎng)絡(luò)電流等于勵磁電感的電流后停止傳遞，自然阻斷ZCS。但是在滿載時候振蕩嚴(yán)重，這一現(xiàn)象是否會惡化效率，還是說并無影響？

滿載150瓦，次級二極管電壓波形，沒有測試電流波形。

圖3

思考3：

因為考慮的過載保護使用了二極管鉗位和兩個諧振電容的方案，不知這樣是否對效率存在影響。

針對這幾點思考，下面給出了相應(yīng)的修改意見。

建議1

增大點工作頻率，或者說測試下實際諧振電感的感值和諧振電容容值，計算諧振頻率，將開關(guān)頻率設(shè)的略大于諧振頻率比較好，因為由于死區(qū)的原因會導(dǎo)致等效的開關(guān)頻率減小。

建議2

在滿足增益的條件下，在重載時開關(guān)頻率不要過低，因為會導(dǎo)致在重載時副邊的漏感和原邊的節(jié)電容進(jìn)行諧振。

建議3

整機效率偏低，需要首先將PFC和DCDC部分分開測試，觀察是由哪部分引起效率偏低的。單純?nèi)ピ龃髣畲烹姼校m然是減小了勵磁電流，但是對實現(xiàn)ZVS條件不利，為了實現(xiàn)ZVS就需要更長的死區(qū)來彌補了。效率不一定會有提升。

建議4

如果是PFC部分效率因為功率比較小，建議采用CRM或者DCM模式，如果空間不是問題，可以采用鐵氧體來提升效率。

效率與很多因素有關(guān)系，沒有一個絕對的參考值。在半導(dǎo)體器件選型的基礎(chǔ)上通過修改諧振元件的參數(shù)盡量去優(yōu)化效率就可以了。

Q值可以算出來，在波形上也可以看出來。次級零流關(guān)斷后勵磁電流還在上升，就是諧振電容容量偏大了。

或者可以先把次級繞組的截面積加大，再觀察一下效率。

進(jìn)一步修改

采用了上述的建議之后，再次進(jìn)行試驗。這次滿載30分鐘測試得到的效率，在89.6%，與上次的參數(shù)相比效率提高了1%以上。下面是這次的各種參數(shù)：

Vacin=220V

Vpfcin=396V

Vo=24V

IO=6A

CORE:EER3542/PC40

Ls=173uH

M=5

Lm=850uH

Cs=14nF

Fs=103KHz

Gnor=1.118

Gmax=1.165

Gpk=Gmax*1.1=1.28

N=9

Qe=0.52

圖4

從參數(shù)的思考：

電感量的加大，減弱了勵磁電流的的幅度,減少了初級MOSFET的關(guān)斷耗損。

初級匝數(shù)的減低，從44減低到36。

次級電流密度加大從6跟0.4加大到8跟0.4。

峰值增益沒有考慮最低輸入電壓360V，而是從380V開始計算，因為需要的最大增益（分壓網(wǎng)絡(luò)的分壓比）需要的較小，只需要1.16，只考慮10%的余量（實際增益到峰值），滿足輸出電壓所需要的網(wǎng)絡(luò)分壓比只需要1.28。根據(jù)Q值表選擇到0.52。

然后得到諧振網(wǎng)絡(luò)的元件值。由于有較大的諧振電感所以需要初級和次級之間的物理距離加大到6-8mm，才能保證170uH的漏感。通過控制初級和次級之間的物理距離能得到合適的漏感量。

E開關(guān)頻率依然低于的預(yù)計諧振頻率，應(yīng)該要把開關(guān)頻率提高到諧振頻率附近。（不足之處開關(guān)頻率依然低于諧振頻率太多）

將初級的36圈，降低到34圈，匝比為8.5。但是由于初級匝數(shù)的降低漏感也發(fā)生了變化，于是需要對發(fā)生變化的漏感Ls=155uH，重新計算了諧振網(wǎng)絡(luò)的值，Cs=12nF諧振頻率接近115KHZ。勵磁電感為750uH。

當(dāng)調(diào)整好參數(shù)滿載時，確實發(fā)現(xiàn)：通過減低匝比來降低滿載時諧振網(wǎng)絡(luò)的增益值，確實而有效的提升了開關(guān)頻率。滿載時的開關(guān)頻率為109K，諧振頻率為115K，已經(jīng)比較接近。觀察電流波形，也有比較好的效果。如圖5所示。

圖5

本篇文章對LLC電路效率較低的問題進(jìn)行了較為實際的，且全方位的分析，并且給出了同樣全面地整改方法。如果大家也在設(shè)計過程當(dāng)中遇到了同樣的問題，不如仔細(xì)閱讀以下本篇文章，或許就能找到相應(yīng)的解決方法。