ZHCT482 February 2024 UCC25600 , UCC25660
十几年来，电源行业广泛采用了图 1 中所示的电感器-电感器-电容器 (LLC) 串联谐振转换器 (LLC-SRC) 作为低成本、高效率的隔离式功率级，其中包含两个谐振电感器（两个“L”：Lm 和 Lr）和一个谐振电容器（一个“C”：Cr）。LLC-SRC 器件具有软开关特性，没有复杂的控制方案。得益于软开关特性，该器件支持使用额定电压较低的元件，并可提高效率。该器件采用简单的控制方案，即具有 50% 固定占空比的变频调制方案，与相移全桥转换器等用于其他软开关拓扑的控制器相比，所需的控制器成本更低。
图 1 LLC-SRC尽管 LLC-SRC 的效率可以比硬开关反激式和正激式转换器高很多，但如果要实现最佳的效率，仍然存在一些设计挑战。首先，在 LLC-SRC 设计中，为了实现足够宽的可控范围，两个谐振电感器之比 (Lm/Lr) 可能必须小于 10。同时，需要 Lm 具有较大的电感，以便降低循环电流，因此需要保持高 Lr 电感以确保谐振电感比值低。
值得注意的是，串联谐振电感器 Lr 中的电流完全是交流电，没有任何直流分量，这意味着磁通密度变化很大（即 ΔB 很高）。高 ΔB 意味着与交流相关的电感器损耗也很高。如果电感器绕在铁氧体磁芯上，磁芯空气间隙附近的边缘效应会产生较高的绕组损耗。
Lr 电感高，则意味着电感器匝数较多、交流绕组损耗较大。因此，许多 LLC-SRC 设计都对谐振电感器采用铁粉磁芯，在绕组损耗和磁芯损耗之间进行权衡。然而，高 ΔB 会在谐振电感器上产生相当大的损耗：高绕组损耗或高磁芯损耗。
LLC-SRC 设计的第二个挑战是如何合理优化同步整流器 (SR) 控制。LLC-SRC 整流器电流传导时序取决于负载条件和开关频率。最有前景的 LLC-SRC SR 控制方法是检测 SR 场效应晶体管 (FET) 漏源电压 (VDS)，并在 VDS 低于或高于特定电平时开启和关闭 SR。VDS 检测方法需要毫伏级的精度，因此只能在集成电路中实现。自驱动或其他低成本 SR 控制方案不适用于 LLC-SRC，因为此类器件采用带电容负载的电流馈入型输出配置。因此，LLC-SRC SR 控制器电路的成本通常高于其他拓扑的成本。
为了解决这两个挑战（高电感器损耗和 SR 控制），同时保持谐振转换器所能提供的大部分优势，请考虑使用改良版 CLL 多谐振转换器 (CLL-MRC)，如图 2 所示。
图 2 改良版 CLL-MRC与所有三个谐振元件（一个电容器和两个电感器）都位于输入侧的 CLL-MRC 不同，改良版 CLL-MRC 将一个电感器从输入侧移动到输出侧，并将电感器放置在整流器 Lo 之后，如图 2 所示。这种修改允许谐振电感器上含有直流电流，这意味着 ΔB 更小，磁损耗也可能更低。
图 3 展示了改良版 CLL-MRC 的工作原理，其中 fsw 是转换器开关频率，而 fr1 = {2π[Cr (Lr1 //Lr2 )]0.5 } -1 是两个谐振频率的其中之一。当 fsw 低于 fr1 时，输出绕组电流在开关周期结束前下降到零，这一点与 LLC-SRC 中的输出绕组电流类似。现在，输出端有一个电感器。一组简单的电容器和电阻器即可检测输出电感器电压。每次出现较大的电压变化率 (dV/dt) 时，便是开启或关闭 SR 的时机。因此，SR 控制方案的成本低于 VDS 检测方案。
当 fsw 高于 fr1 时，输出电感器电流会处于连续导通模式。换言之，与 LLC-SRC 相比，ΔB 减小，电感器交流损耗可能大幅减小，转换器效率可能提高。
图 3 改良版 CLL-MRC 的重要波形：fsw < fr1（左），fsw > fr1（右）为了验证这些性能假设，我构建了一个 LLC-SRC 和另一个具有完全相同元件和参数的改良版 CLL-MRC 功率级。两者唯一的区别是 72μH 电感器用作 LLC-SRC 谐振电感器，1μH 电感器用作改良版 CLL-MRC 输出电感器。
图 4 显示了两个功率级的效率测量结果。当输入电压较低时，fsw 小于 fr1，因此改良版 CLL-MRC 中的 Lo 电流仍处于不连续导通模式，并具有较大的 ΔB。因此，在这种运行条件下，改良版 CLL-MRC 没有效率优势。
当输入电压升高时，fsw 大于 fr1，Lo 电流处于连续导通模式。使用 430V 输入时，改良版 CLL-MRC 的效率比 LLC-SRC 高 1%。这一比较表明，如果将改良版 CLL-MRC 设计为始终在高于 fr1 的频率下运行，则其在整个范围内的效率性能可能优于 LLC-SRC。
图 4 不同输入电压电平下的转换器效率：改良版 CLL-MRC（顶部），LLC-SRC（底部）LLC-SRC 确实是出色的拓扑，可提供许多吸引人的特性。但根据应用的不同，其可能并不是最佳解决方案。为了实现更高的效率和更低的电路成本，有时需要跳出思维定式。
其他资源
- 阅读德州仪器 (TI) 电源设计研讨会的以下文章：
- “设计 LLC 谐振半桥电源转换器”。
- “谐振转换器拓扑结构综述”。
- “同步整流器的控制和设计挑战”。
- 查看 400V 直流输入转 28V/9A 输出、紧凑型高效 CLL 谐振转换器参考设计。
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之前发布在 EDN.com 上。