本期，我們將介紹LLC 諧振轉換器的詳細知識。

電感器-電感器-電容器 （LLC）諧振轉換器具有幾個極具吸引力的特性，適用于需要隔離式直流/直流轉換器的應用，這些特性包括極小的開關損耗、在低于諧振頻率時不會進行反向恢復，以及承受變壓器內較大漏電感的能力。

挑戰

在設計具有寬工作范圍的 LLC 轉換器時，一個主要挑戰在于增益曲線相對于等效負載電阻的行為。這是因為隨著品質因數 (Qe) 的增加，可達到的最大增益會降低，與此相反，可達到的最小增益會隨著Qe的降低而增加。下面的圖 1 展示了這種情況。

方程式 1

方程式 2

圖 1： LLC 增益曲線表明，隨著 Qe 的增加，可達到的最大增益會減小

這種行為使得很難在功率級和合理的開關頻率范圍內保持合理的均方根 (RMS) 電流。需要降低電感比 (Ln) 以減小所需的頻率范圍；但是，較低的電感比會增加功率級中的磁化電流。本文將闡述設計具有寬工作電壓范圍的 LLC 轉換器的五個技巧。

使用可重新配置的整流器

擴展 LLC 轉換器工作范圍的一種潛在方法是實現可重新配置的整流器，如圖 2 所示。

圖 2：展示了具有可重新配置整流器的 LLC 轉換器，該整流器可重新配置為全橋或倍壓器

在此結構中，您可以使用比較器來查看輸出電壓并決定運行模式，從而將整流器配置為全橋或倍壓整流器。作為全橋整流器運行時，可使用公式 3 計算輸入到輸出傳遞函數。

方程式 3

在用作倍壓整流器時，輸入到輸出傳遞函數為：

方程式 4

圖 3 顯示了LLC 的開關頻率與輸出電壓間的關系，使用上述方法從 450V 固定輸入實現 140V 至 420V 的輸出電壓范圍。該數據是通過輸出端的 800mA 負載收集而來。請注意在 200V 處的跳變，此時比較器從全橋切換到倍壓器模式。

圖 3: LED 驅動器參考設計中的開關頻率與輸出電壓間的關系

盡可能減小繞組和整流器電容

如果工作點降至最小增益曲線以下，LLC 控制器會被強制在突發模式下運行，以確保輸出電壓處于穩定狀態。突發模式會導致較高的低頻輸出紋波電壓。對于需要在輕負載和最小輸出電壓條件下具有極低輸出紋波的應用，這會造成一個問題。

在這種情況下，必須盡可能減小變壓器內的繞組電容，以及整流器的輸出電容 (Coss) 或結電容 (Cj)。在高于諧振頻率的條件下運行時，這些寄生電容將導致增益曲線反轉。圖 4 顯示了輕負載時 LLC 增益曲線的傳統一次諧波近似 (FHA) 計算方法，以及考慮到功率級中所用整流器的繞組電容和 Coss 時相同的 LLC 增益曲線。

圖 4：輕負載條件下，寄生電容對 LLC 增益曲線的影響

特別注意變壓器內的繞組層疊并選擇整流器元件，可更大限度地減少這種增益曲線反轉效應。使用SIC 二極管或GaN 高電子遷移率晶體管(HEMT)等寬帶隙器件作為整流器，可使 Coss 大幅低于 Si MOSFET 或二極管。

使用具有高頻跳躍模式的 LLC 控制器

與正常開關可實現的增益相比，高頻跳躍模式可以實現更低的增益。以下是一個100W 半橋LLC 轉換器的示例，其輸入范圍為 70V 至 450V。在圖 5 中，諧振電流顯示為綠色，初級側開關節點顯示為藍色。

在右側，LLC 轉換器在高頻跳躍模式下運行，每四個開關周期就省略一次。開關頻率為 260kHz，但它以 77kHz 突發頻率進行分調制。

圖 5 ：70V 和 450V 輸入下的 100W LLC 轉換器開關行為，諧振電流顯示為綠色，初級側開關節點顯示為藍色

管理輔助偏置電壓

通過在 LLC 變壓器上包含輔助繞組，可以為電源的初級側和次級側生成必要的偏置電壓。對于具有可變輸出電壓的 LLC 轉換器，輔助繞組電壓將隨著輸出電壓一起變化。對于使用剖切線軸的 LLC 變壓器，如果輔助繞組與次級繞組的耦合不良，情況尤其如此。當使用簡單的低壓降穩壓器 (LDO) 結構調節偏置電壓時，效率會隨著輸出電壓的增加而下降。可能需要更大的物理封裝來處理功率耗散。

在圖 6 中，Naux1和 Naux2的大小是為了確保通過 D1、Q1 和 D4 提供最低輸出電壓或 VCC 偏置電壓。隨著輸出電壓的增加，C2 上的電壓限制為齊納 D3 的擊穿電壓減去 Q1 的柵源閾值電壓。隨著輸出電壓進一步升高，Naux2生成的電壓變得足夠高，足以為 VCC 供電，并且隨著柵源電壓降至關斷閾值以下，Q1 被強制關斷。

圖 6 ：使用輔助繞組與 LDO 結構，為電源的初級側和次級側生成必要的偏置電壓

這種方法比單個繞組加上 LDO 更高效，但需要兩個輔助繞組。另一種只需要一個輔助繞組的方法是使用降壓轉換器或升壓轉換器，而不是使用 LDO。

管理深度放電電池的微電流充電

用作電池充電器的 LLC 轉換器必須通過施加較小的充電電流來安全地恢復深度放電的電池，直到電池組電壓高到足以安全地獲取全部充電電流。LLC 無法在較小的輸出電流下將輸出電壓調節至 0V，因此難以滿足這一要求。

可以通過加入一個帶有并聯旁路 FET 的小型恒流電路來管理，如圖 7 所示。在微電流充電模式下，旁路 FET 關閉，輸出電流由LM317（配置為調節輸出電流）提供。這樣可以確保，即使輸出電壓為 0V，LLC 轉換器的最小輸出電壓也能大于 0V。這種方法允許 LLC 變壓器在初級側和次級側產生必要的偏置電壓，并避免在輸出電壓為 0V 時需要單獨的輔助電源。一旦電池包電壓上升到足夠高的電平，具有分立式電荷泵電路的 FET 就會繞過恒流電路

圖 7：具有微電流充電電路的 LLC 可安全地恢復深度放電的電池

寬 LLC 工作電壓范圍

雖然由于 LLC 拓撲的性質，使用 LLC 轉換器實現寬工作電壓范圍可能看起來很困難，但可以通過實施幾種策略來更輕松地獲得寬工作電壓范圍。此處列出的五條簡單建議和技巧適用于模擬控制，不需要更復雜的數字控制實現。