概述

LLC 變換器的設(shè)計(jì)涉及眾多的設(shè)計(jì)決策與關(guān)鍵參數(shù)，而且很多因素相互關(guān)聯(lián)。任何一個(gè)設(shè)計(jì)選擇都可能影響系統(tǒng)中的許多其他參數(shù)。LLC 諧振腔的設(shè)計(jì)是其中最大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼪Q定了變換器響應(yīng)負(fù)載、頻率和電壓變化的能力。因此，設(shè)計(jì)人員必須正確定義變換器負(fù)載和頻率的工作范圍，因?yàn)檫@些值會(huì)影響諧振腔的值與參數(shù)來。

本系列的兩篇文章將討論 LLC變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考量因素。?第I部分探討了各種電源開關(guān)拓?fù)浜?LLC 諧振腔的特性。本文為第II部分，將介紹 LLC 變換器設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，包括增益、負(fù)載、頻率和電感。

LLC變換器增益

影響LLC 變換器增益的兩個(gè)模塊是諧振腔和變壓器。諧振腔增益是可變的，具體取決于負(fù)載 (Q)、歸一化頻率 (fN)和歸一化電感 (LN)。變換器的增益響應(yīng) (MG為Q, LN和fN的函數(shù)，通過公式 (1) 來計(jì)算：

$$M_G(Q,L_N,f_N) = \frac {V_{OUT(AC)}}{V_{IN(AC)}} = \frac {f_N^2 \times (L_N-1)} {(f_N^2 -1)^2 + (f_N^2 \times (f_N^2 -1) \times (L_N-1)^2 \times Q^2}$$

變壓器增益則由變壓器原邊線圈的匝數(shù)與副邊線圈的匝數(shù)之比定義。該比率由變壓器的物理結(jié)構(gòu)定義，所以一旦變換器開始工作，就不能輕易改變。

圖 1 顯示了 LLC 變換器的增益路徑。

圖 2 顯示了帶變壓器的 LLC 諧振腔原理圖。

變換器的總增益 (VOUT?/ VIN) 為兩個(gè)增益的乘積，可通過公式 (2) 來估算：

$$\frac {V_{OUT}}{V_{IN}} = M_G \times \frac {1}{n}$$?

其中?n?為變壓器的匝數(shù)比，MG則為 LLC 諧振腔增益。

理想情況下，諧振腔不會(huì)放大或衰減信號(hào)，而是濾除諧波。這意味著諧振腔的標(biāo)稱增益應(yīng)為 1，并且變壓器應(yīng)是改變輸出電壓電平的唯一階段。

但實(shí)際上，LLC 變換器常用于 AC/DC變換器。AC/DC 變換器通常由一個(gè) AC/DC + PFC 轉(zhuǎn)換級(jí)和一個(gè) LLC DC/DC 變換器組成，用于將電壓降到所需的水平（參見圖 3）。

AC/DC + PFC 級(jí)將 AC 輸入電壓 (VIN) （例如來自 AC 電源的功率）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 DC 電壓，同時(shí)還保持輸入電流與 VIN 同相。PFC 級(jí)對(duì)確保設(shè)計(jì)符合國際標(biāo)準(zhǔn)（包括 ISO、UNSCC、IEEE 和 CISPR）規(guī)定的各項(xiàng)功率因數(shù)規(guī)范十分必要。AC/DC + PFC 級(jí)的輸出電壓 (VOUT) 在理想情況下是穩(wěn)定的，但由于組件的非理想化， AC/DC 輸出端往往會(huì)出現(xiàn)電壓紋波，這通常是寄生電感和電容ESR導(dǎo)致的，這種電壓紋波也會(huì)出現(xiàn)在 LLC 變換器的輸入端。

由于變換器的 VIN?和變壓器固定增益帶來的變數(shù)，LLC 諧振腔需要補(bǔ)償 VIN?帶來的變化以獲得恒定的 VOUT。因此，如果 VIN?低于標(biāo)稱值，諧振腔可稍稍放大信號(hào)以產(chǎn)生最大諧振腔增益；如果 VIN?超過標(biāo)稱值，則最小諧振增益可確保變壓器原邊繞組處的電壓穩(wěn)定在標(biāo)稱值，以保持穩(wěn)定的 VOUT。

標(biāo)稱諧振增益 (MG_NOM) 可以使用公式 (3) 來計(jì)算 (MG_NOM)：

$$M_{G\_NOM} = \frac {V_{OUT} \times n} {V_{IN\_NOM}}$$?

最大諧振增益 (MG_MAX) 可以使用公式 (4) 來計(jì)算：

$$M_{G\_MAX} = \frac {V_{OUT} \times n} {V_{IN\_MIN}}$$?

最小諧振增益 (MG_MIN) 可以使用公式 (5) 來計(jì)算：

$$M_{G\_MIN} = \frac {V_{OUT} \times n} {V_{IN\_MAX}}$$?

圖 4 顯示了 LLC 變換器的增益響應(yīng)以及所需的最大、最小和標(biāo)稱諧振腔增益值。

LLC變換器負(fù)載

如第I部分所述，負(fù)載通過品質(zhì)因數(shù) (Q) 來表示，它影響諧振腔的最大增益以及峰值增益頻率。諧振腔的峰值增益隨負(fù)載的增加而降低。因此，即使在最壞的情況下(即負(fù)載最大時(shí))，滿足最大增益要求也是非常重要的。

圖 5 顯示了 LLC 變換器對(duì)一系列負(fù)載的頻率響應(yīng)。

LLC變換器開關(guān)頻率

負(fù)載對(duì)增益的影響是無法控制的，但可以通過改變 MOSFET 的開關(guān)頻率 (fSW) 來保持電路增益。如圖 5 所示，盡管負(fù)載會(huì)影響變換器的最大增益，但增加負(fù)載也會(huì)將頻率 (fMG_MAX) 拉至更高水平，并產(chǎn)生最大增益。

圖 6 顯示了 LLC 諧振腔中一系列不同負(fù)載的最大增益點(diǎn)，以虛線繪制。這條線將增益響應(yīng)分為兩個(gè)不同的區(qū)域。在感性區(qū)域（右側(cè)），發(fā)生零電壓切換，并且增益隨著頻率的降低而增加，直至達(dá)到峰值增益頻率。然后變換器進(jìn)入容性區(qū)域（峰值增益頻率的左側(cè)），在該區(qū)域降低頻率也會(huì)降低增益。感性區(qū)域允許通過頻率變化進(jìn)行穩(wěn)定的增益控制。

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