LLC谐振半桥的主电路设计指导

1、最新资料推荐LLC谐振半桥的主电路设计指导近年来，LLC谐振半桥因为成本低、效率高而且结构简单，获得了电源 工程师的广泛认可，从而迅速在中低功率（100W-2000W）范围内得到了广 泛应用。关于LLC谐振半桥的理论分析，各类论文已经介绍的比较详细，因此在这 里不再赘述，仅仅把主电路参数的设计过程，以及设计中用到的主要公式分 列如下。一、所需的初始设计条件LLC变换器仅适用于输入电压波动范围比较窄的高压直流输入场合，因 此前级一般有PFC级，且LLC电路不适合用于需要长保持时间的场合。设计 时，所需的初始限定条件主要是：1、输入额定直流电压凹、最低工作直流电压凹、最高直流输入电 压凹；2、额定

2、输出电压0、额定输出电流0 ；3、预期的谐振频率凶；4、输岀线路压降（含二极管压降、PCB走线以及电缆压降）0；5、K值（K值的大小将影响到工作频率范围，并对效率略有影响。一 般取4-7之间）;6、变压器磁芯截面积凶与工作磁感应强度凹，变压器原边匝数a ,二、设计计算过程1、计算变比般来说，为了使电源达到比较高的变换效率，我们会把满载工作点 设置在谐振频率位置，或略有轻微调整。根据LLC变换器的原理，在 谐振频率处，电源的传输比二1。因此，| K |,据此计算出| X |2、计算额定负载电阻日，以及折射到原边的负载电阻日a , a3、计算最高输入电压凹和最低输入电压时的增益E皿,厂4、计算临界

3、Q值，一般在计算值的基础上取0.900.95倍的裕量，以保证不进入ZCS区。_般取 |I5、计算最低工作频率和最高工作频率，分别对应低压输入和高压输入I K | AJII6、计算谐振电感感量Lr,以及谐振电容Cr,和主变压器原边感量Lm 凶，II , 闫 。计算时需要注意，谐振电容C的容量是一个标准序列，一般有：8.2nF、12nF、15nF、22nF、33nF、39nF、47nF,而L、Lm是可定制的。因此我们一般会通过微调谐振频率和K值,冲严=二叱=二.=叱，二.遢趣资星推建”贾得到一个精准的Cr,以避免非标准序列的Cr带来的不必要的麻烦。7、计算谐振电感的电流峰值Im8、计算额定输入电压

4、、满载输岀条件下的原边绕组电流有效值，和原边绕组电流峰值，以及每个开关管的电流有效值11,eh , rn9、计算副边每个绕组的电流有效值，H , ri10、计算副边整流管的应力平台电压，与二极管电流平均值I K I , I = I11、计算谐振电容电压有效值、电流有效值最高输入电压，满载条件下，谐振电容电压有效值为：| K |, 电流有效值匕可12、计算输出滤波电容上的纹波电流有效值13、一般取实际匝比略大于计算值，使半载以上工作在fvf。可以取实际匝比为：I K I14、计算原边匝数最小值，从而选定副边匝数。一般需要微调Np的值,以便使Ns接近整数，使得原副边匝比最接近理论计算值。三、设计注

5、意事项1、关于K值的选择K值，即变压器励磁电感Lm与谐振电感L的比值，直接决定了从轻 载到满载的频率变化比值，即0 o K值越大，频率变化范围越大，但是 励磁电流峰值将降低，从而减少了满载下励磁电流在开关管上形成的导通 损耗。但是，频率变化范围太宽的话，也将导致反馈环稳定性设计难度增 大。因此一般来说，取K值在4到7之间，这样的话可以均衡稳定性与效 率。也有人介绍取K值在2.58之间，但是K值大于7以后，实际上对满 载效率的影响已经微乎其微了，因此建议K值不大于7,以便降低调试工 作量。2、关于磁集成LLC变压器和谐振电感可以采用磁集成的方式来降低成本，并减小体 积。但是，磁集成方式下，变压器

6、的温升一般明显升高，测试的时候需要 注意检验是否满足温度降额。另外，磁集成方式下，根据经验，当变压器距离金属机箱壁太近的话 （小于5mm）,将会在机箱壁上形成明显的涡流，导致额外的发热，铁或 钢质机箱尤为明显。根据经验，曾经在400W电源上测到过损耗增大5W。分立的主变和谐振电感则无该现象。3、关于Bmax值的取值范围般来说，对于自然冷，取Bmax小一些，建议不超过0.22。而对于 风冷电源，由于磁芯散热条件得到改善，可以取Bmax略大一些，建议不 超过0.28o4、关于成本分析与拓扑选型在大约100W以下的范围内，由于反激变换器的成本更低，因此一般 不考虑采用LLC变换器。在大约100W-5

7、00W的范围内，各种变换器的相对成本依次是：反激 变换器v LLC变换器v单管整机RCD 而双管正激，一般建议用 LLCo在500W-1500W范围内，属于LLC、双管正激、半桥、全桥、移相全 桥的重叠范围，LLC和移相全桥具有最高的效率，两者都是可选的。但是 由于移相全桥的输岀纹波电流比较小，因此在低压大电流场合可能更合适 一些。且移相全桥属于定频控制，环路稳定性的调试难度较低。而LLC在 这种场合下由于输岀纹波固定等于总输出电流的48%,输岀电容选型会难 度大一些。对于更大的功率，一般可以考虑采用移相全桥或三电平等其他拓扑， 在此不作赘述。附录一、计算案例：AS0600-12产品1、技术要

8、求输入电压：330V-420Vdc ,额定值390Vdc输出电压：12Vdc线路压降：0.3V线路压降,及0.4V远端补偿最大输出功率：600W效率:0.962、具体器件计算开关频率确定：在减小模块体积的前提下，开关频率应该尽可能提高, 但考虑EMC及开关损耗，谐振频率取90kHz ,开关频率接近谐振频率。2.1主变压器与谐振参数计算1、根据经验,初步选取PQ3230磁芯骨架，截面积0.000163m2,体积为10.2cm3o2、根据经验，取沁二0.28特斯拉 计算实际变比考虑到占空比的损失，根据经验估算实际变比为理论变比的96%实际变比 n = 15.85/0.975 = 16.26 计算原

9、边最低匝数|= = I,取 16 匝。计算额定输入电压、满载、最低工作频率下的为:,基本可以接受。因此，取原边匝数为16匝，副边匝数为1匝。 计算原边线径最新资料推荐根据前表计算结果，原边电流有效值为：3.9A ,取电流密度为5A/mm2 ,计算绕组截面积为：Sp = 3.9/5 = 0.78mm2,取0.33mm 三层绝缘线9根并联,截面积为0.77mm2 z实际电流密度为5A/mm2。由于原边采用三层绝缘线，因此整个变压器不加档带。 计算副边线径副边绕组电流有效值39.3A ,取电流密度4A/mm2 ,计算绕组截面积为：Ss = 39.3/4 = 9.8mm2 ,每个绕组可以采用10*0.

10、4的铜带2根并联，截面积8mm2 ,电流密度4.91 A/mm2。 变压器设计参数：磁芯:PQ3230匝比:16 : 1Lm : 165uH5% , Lr = 30uH线径为：原边用0.21*12多股线2根，副边每个绕组用0.4mm*10mm铜带两根并联。 变压器损耗计算天通TP4A材质磁芯，在100C/100K/200m特斯拉的情况下，损耗为041W/cm3 , PQ3225磁芯体积为：10.2cm3 ,因此本设计中变压器的磁损为:主变原边绕组的长度约为：96cm ,截面积0.82mm2 ,阻值为：22 mQ ,损耗为：1=1o主变副边每个绕组的长度约为：10cm ,阻值约为：021mQ ,

11、损耗为：因此主变压器总损耗约为 ：O由于副边绕组直接用铜皮引出，电流密度较小，且引出端距离同步整流管距离非常近，因此初 步计算时估算引出端损耗为0。 谐振电感计算。磁芯:ER28 ,Ae = 0.000082mm2，取Lr=30uH5% ,Bmax=0.2 特斯拉匝数：谐振电感与变压器原边绕组串联，因此电感电流等于变压 器原边绕组电流。变压器原边绕组电流有效值3.9A ,峰值约5.5A ,计 算匝数为：II,取14匝。注意避开中柱气隙，否则绕组涡流损耗很大。线径:0.21*20多股线1根，要求绕组两端各2mm档带。 谐振电感损耗计算PC40材质磁芯，在100C/100K/20m特斯拉的情况下，

12、损耗为 0.42W/cm3, ER28磁芯体积为：2.08cm3 ,因此本设计中谐振电感的 磁损为：谐振电感绕组长度约为：100cm ,阻值为：20mQ ,损耗为：因此谐振电感总损耗约为: 谐振电容选型谐振电容选用1000V-0.022uF-5%-双面金属化聚丙烯膜电容，2 PCS并联。2.2主要器件和损耗计算1、MOS管计算MOS管承受的最高电压即为输入最高电压430V，因此选择耐压为600V的MOS管。MOS流过的额定电流有效值为：I ,考虑到MOS管高遍电流降额和 导通电阻、成本等综合因素，选择SIHG30N60E ,耐压600V ,电流30A ,导通电阻 Ron 二 0.125Q。MO

13、SFET功率管的损耗由通态损耗、开通损耗和关断损耗三部分构成。 通态损耗为：_功率管的开通损耗为0 ,估计关断电流预计不超过原边MOS峰值电流的60%，估计关断过程时间为75nS ,计算关断损耗为：因此功率管的损耗为：如果关断时间下降为50nS ,贝助率管的损耗下降1.5W ,总损耗6.3W。2、输出整流管12V主路输出电流为50A ,每个二极管上的平均电流有效值电流39.3A ,承受的反压为2V。=24VZ两侧的输出同步整流管分别采用BSC027N04LS G（规格为：40V-2.7m欧JOOA ） 3PCS并联，则每侧的同步整流管损耗为Psmos =39.3x39.3x0.0027x1.8

14、/3 = 2.5W ,双侧同步整流管损耗共5W。3、输出电容值选择16V耐压的电容,电容纹波有效值为24A ,选用16V/2200UF/ZLH系列电容2PCS，规格为:16V-2200uF-2.48A-17mO-25C，和 16V470uF 固体铝电解电容 6PCS , 规格为。满足纹波电流降额要求和输出纹波电压要求。纹波电流引起的损耗为：24x24x 1 二 0.56W。4、磁棒滤波电感磁棒滤波电感采用1.4mm的铜线2根绕5匝，绕线长度为:18cm，截面积为3mm2, 阻值约:单个磁棒电感的电阻为lm欧，采用2PCS相同的磁棒电感并联,铜损约为：50 x50xlxl.25/2 = 1.56Wo5、分流器分流器阻值2.5m欧、3PCS并联，损耗约：2.5*50*50/3二2.08W。6、死负载预计死负载0.5W。7、热插拔MOS热插拔MOS采用4PCS （规格为：30V-2m欧-100A ）并联，计算损耗为：50x50 x2xl.8/4 = 2.25Wo& DC/DC电路的总损耗计算由前述计算和分析知道，DC/DC变换器的总损耗主要由下列几部分构成：主变压器、 谐振电感、主开关管、输出整流管和电流采样电阻、假负载电阻损耗。DC/DC效率计算如下：最新资料推荐DC/DC效率计算输出电压(V)12输出电流(A)50输出功率(W)600DC/DC总损耗(W)23.41主变压器