LLC谐振转换器原理及设计方案

LLC谐振转换器原理及设计方案

时间：-O5-O7O1：O5：16来源：今日电子作者：飞兆半导体企业

JintaeKim

多种类型日勺LEDTV主功率级拓扑相继推出，例如非对称半桥转

换器、双开关正激转换器和LLC谐振转换器。其中,LLC谐振转换器

虽然相比其他转换器具有更多优势，但由于其设计复杂困难，因此在

过去很少受到关注。不过，这几年间,IC制造商已开发出用于LLC谐

振转换器日勺控制器，并且刊登了许多有关技术阐明和设计工具，让其

设计变得更轻易，并使得这种技术获得更多日勺关注。目前,LLC诣振

转换器已经成为LEDTV最流行日勺主功率级拓扑。

LLC谐振转换器的杰出长处有：（1）在整个负载范围（包括轻载）

下都是以ZVS（zerovoltageswitching,零电压开关）条件工作，从而

实现高效率；（2）工作频率变化范围比较窄，便于高频变压器和输

入滤波器的设计；（3）初级端所用开关的电压应力被钳位在输入电

压上，而次级端两个二极管上的电压一直等于中心抽头变压器输出

电压日勺两倍。

LLC谐振转换器可以工作在两个不一样类型的ZVS区域之内一

种被称为“上区域（aboveregion）”（或上谐振工作区域），这里，初级

端日勺环流变小，但次级端上的二极管为硬开关。另一种是“下区域”

(或下谐振工作区域)，这时，次级端上的二极管可实现软开关。本文

将简朴简介LLC谐振转换器的工作原理和工作区域，此外还将讨论

其设计环节。

图1LLC谐振转换器日勺基本电路

LLC谐振转换器的工作原理

图1所示为LLC谐振转换器的基本电路。LLC谐振转换器一般包括

一种带MOSFET的控制器、一种谐振网络和一种整流器网络。控制

器以5。％的占空比交替为两个MOSFET提供门信号，随负载变化

而变化工作频率，调整输出电压Vout,这称为脉冲频率调制

(PFM)。谐振网络包括两个谐振电感和一种谐振电容。谐振电感Lr、

Lm与谐振电容Cr重要作为一种分压器，其阻抗随工作频率而变化

(见式1),以获得所需的输出电压。在实际设计中，谐振网络可由一

种采用如图2所示的分段骨架(sectionalbobbin)的集成式变压器

的磁化电感Lm与漏感Llk构成。而整流器网络对谐振网络产生的

正弦波形进行整流，然后传播到输出级。

□(1)

式中,Vd基本近似等于Vin/2,而Rac基本近似等于8n2Vout/2

71lOUt。

式(2)给出了采用如图2所示的实际变压器时,LLC谐振转换器的

电压转换比。在式(2)中可观测到两个谐振频率。一种由Lp和Cr

决定，记为3P,另一种由Li•和Cr决定，记为⑥!•。运用这个公式,

可获得LLC谐振转换器随频率和负载变化的增益特性曲线，如图3

所示。

图2采用分段骨架的集成式变压器(a),变压器等效电路(b)

图3LLC谐振转换器日勺增益曲线和工作区域

图3中，每条曲线上以符号'+'标注的最高值被称为’峰值增

益’，位于两个谐振频率3P和3r之间。当输出负载越来越大时，峰

值增益值逐渐减小，其位置向更高频率移动。同步，以符号'x'标注

日勺⑥r时的谐振增益却是固定的，不随输出负载日勺变化而变化。增益

曲线阐明在ZVS状态下，伴随谐振网络日勺工作频率增长，增益减小，

输出电压减少。

□（2）

式中口。

LLC谐振转换器的工作区域

如图3所示,LLC谐振转换器的工作区域可标注为“+”的峰值增益

和标注为“x”的谐振频率而分为三部分。首先，以峰值点为界，左

边是ZCS（零电流开关）区（或称为电容区），右边是ZVS（零电压开关）

区（或称为电感区）。在ZVS区，谐振频率31•的J左边是下区（below

region）,右边是上区域（aboveregion）。当LLC谐振转换器工作

在ZCS区时，在开关瞬间有大量反向恢复电流流经MOSFET,故

LLC谐振转换器应当工作在ZVS区，要充足运用最小工作频率的限

制不让带MOSFET的LLC谐振转换器进入ZCS区。

如上所述，根据工作频率是不小于®r还是不不小于3,LLC谐振

转换器可以工作在上区域或下区域。这还取决于两种工作模式日勺不一

样特性。当LLC谐振转换器被设计为上区域工作时，流到MOSFET

日勺环流不不小于下谐振工作上日勺,MOSFET日勺传导损耗因此减小，从

而提高效率。不过，次级端上日勺二极管为硬开关，故必须采用肖特基

或UF（超迅速恢复）二极管来防止严重日勺反向恢复电流。鉴于此，像便

携式.设备LCD日勺电源这样日勺低压应用有时会考虑采用上谐振工作。

另首先，在下谐振工作的状况下，流到MOSFET日勺环流比上谐振工

作时要大。不过下谐振工作容许次级端上的二极管进行软导通/关断,

这样就可以采用一般日勺迅速恢复二极管。下谐振工作是LED或PDP

TV等高压应用日勺首选。这些应用中，输出电压稍高，因而不能使用低

额定电压日勺周特基二极管。

因此，必须根捱应用日勺规格和特性来选择LLC谐振转换器日勺工作

区域。下一节将讨论LLC谐振转换器工作区域日勺选择环节。

下谐振工作的设计环节

图4所示为一种LLC谐振转换器在ioo%和1。％负载条件下的频域

增益曲线。图中,fop@io%load和fop@ioo%load为LLC谐振

转换器的工作频率，分别是在ioo%和1。%负载条件下调整最大输

入电压Vin,max对应的额定输出电压。Mfr代表谐振频率fr下的

增益，是固定的，不随负载变化加上所述，谐振频率是把ZVS区域

划分为上/下谐振工作的要点明此，当把Vin,max条件下所需增益

设定至不小于Mfr,则虽然输入电压和输出负载都减小，所需增益

也必然不会不不小于Mfro这意味着LLC谐振转换器的J工作频率不

不小于对应Mfr的fr,故它总是工作在下区域。下面简介一种LED

TV电源的设计环节。其输入电压由PFC（功率因数校正）提供，最小、

额定和最大输入电压分别为350、380和4OoVdc,输出规格为

12OV/1.5A。此外，集成式变压器使用分段骨架，控制器采用的是带

有两个MOSFETFSFR系列器件，这是飞兆半导体专为谐振半

桥型转换器而设计的产品。

图4LLC谐振转换器日勺频域增益曲线

・环节1选择m和fr,并计算Mfr

运用式2谐振频率fr下的谐振增益Mfr可由下式求得:

□（3）

式.3中,m和fr都由设计人员选择喏选择日勺m值很小，峰值增益增

长，且需要较大的Lr。若m值过小，需要外部电感，由于这时要在集

成式变压器中获得高值Lr实际上是相称困难日勺。另首先，假如选择

较大的m值，则峰值增益减少。由于Lr比Lp低，使用集成式变压器

十分轻易。一般而言,m值在4〜7之间是比较合理的。

当m和fr分别设置为6kHz和iookHz时，求得谐振频率下日勺谐

振增益为1.09。

•环节2确定最大增益

运用公式(4)可求出所需最小和最大增益：

Mmin=(Vvirtual/Vin,max)Mfr,Mmax=(Vvirtual/Vin,min)

Mfr(4)

式中，Mmin和Mmax分别为最小和最大增益。Vvirtual是对应于谐

振频率日勺有效输入电压。

如前所述，假如谐振电压下的Vvirtual被设定为不小于最大输入

电压Vin,max,则工作频率将总是低于谐振频率，于是设计出的LLC

谐振转换器就会工作在卜谐振工作区域。

假定Virtual设为420Vdc并考虑到余裕,Mmin和Mmax可采用

式4计算：

Mmin=42o/4OOxi,i=i.i6/Mmax=42o/35Oxi.i=i.3i

考虑到因负载瞬态和输入电压变化，峰值增益应具有一定余裕，

增长10%日勺余裕是比较恰当日勺，故合理日勺Mmax值为1.45。

•环节3确定集成式变压器的匝数比

运用环节2中求得日勺有效输入电压Vvirtual和合理日勺谐振增益

Mfr,集成式变压器日勺匝数比可由式,（5）求得：

n=Vvirtual/2（Vout+VF）（5）

式中,Vout和VF分别是次级端二极管的额定输出电压和正向电压

降。假如需要调整匝数比n,可回到环节2,增长或减小有效输入电

压Vvirtual即可。在环节2中,Vvirtual已被设为420VdeVF取lVdc,

集成式变压器的匝数比为

n=420/2（i20+i）xi.i=i.9

•环节4确定谐振网络

）4

2J

2Q

飞」07030403060701810

Quot*xFodor

图5根据峰值增益和不一样m值找出对日勺的Q因子的］查找表

运用图5所示日勺这种查找表，可以根据峰值增益和不一样日勺m值

找出对日勺日勺Q因子运用m值和前面环节中获得的所需最大增益，可

在图5中选出对日勺的Q因子。一旦确定了对日勺日勺Q因子，谐振网络

日勺参数就可运用公式(6)求出。

Cr=i/(27iQfrRac),Lr=i/(2nfr)2Cr,Lp=Lrxm(6)