LLC變換器實現全負載范圍開關管ZVS工作的技術要點

什么？設計出來的LLC不好用??？

導致LLC變換器不好用的原因其實有很多，諧振參數、全范圍軟開關設計、空載穩壓設計.......等都有可能出差錯（反正不是你的問題）

首先我們知道LLC變換器屬于龐大的諧振變換器拓撲家族系列。諧振腔是該拓撲系列的基礎特征，是一組以特定頻率（稱為諧振頻率）振蕩的電感器和電容器組成的電路。與傳統PWM（脈寬調節）變換器相比，LLC可以通過控制開關頻率（頻率調節）來實現輸出電壓恒定的諧振電路，這種開關模式的 DC/DC 電源變換器允許采用更高開關頻率 (Fsw)，并且降低了開關損耗，因此更適用于高功率和高效率應用。

正是由于LLC諧振變換器能滿足現代電源設計苛刻的性能要求而成為電力電子領域的熱門話題，但這≠每個人都能成功設計出來......

經過長時間的實踐與驗證（折磨），茂睿芯研發團隊的小伙伴們總結了一些LLC應用設計時應該注意的方法~今天我們先分享4點！

一、諧振參數的選擇

LLC變換器雖然適合高頻工作，但是一味地追求整個系統在較高的開關頻率運行反而會損失效率。因此，在設計的初始階段，需要根據設計的散熱方式、功率密度、磁件性能、開關器件來選擇合理的額定工作頻率。

（圖1 TDK PC47磁心損耗表）

工業電源領域大多數的設計會選擇100KHz左右的諧振頻率。明確諧振頻率后便著手設計諧振參數，諧振參數產生的增益曲線會與負載功率水平有關系。一般情況下，系統的最惡劣工作點在最高輸出電壓、最大輸出電流、最低輸入電壓這幾個條件同時存在時，負載產生的阻尼效果最強，諧振增益尖峰會被降低，輸出電壓也會降低。

（圖2 不同負載下的諧振增益曲線）

設計者需要極力避免以下情況，如果反饋閉環繼續降低開關頻率，則可能進入ZCS容性區域，導致開關管失去ZVS，使得閉環控制的增益不再單調，那么系統會進入不穩定狀態。因此，一般工程設計首先需要考慮系統的輸出電壓范圍，這決定了諧振參數所需產生的最大增益。

在最惡劣情況下，設計者需要保證諧振增益曲線能滿足輸出電壓范圍的需求。事實上這里存在兩種不同情況：

①如果系統的輸出電壓變化很窄，比如服務器電源，挖礦機電源等應用，可以把增益曲線設計的放平緩，加大勵磁電感量，可以減少勵磁電流。

②如果系統的輸出電壓范圍很寬，比如車載OBC，充電樁模塊等應用，就需要設計陡峭的增益曲線，減小勵磁電感量，來滿足寬范圍的輸出應用。

以上兩種措施雖然都是LLC變換器的設計，但是因地制宜采取的方式還是截然不同的，如果能在設計之初提前考慮到這些情況的發生，無疑能更快達到系統設計的初衷。

二、全范圍軟開關設計

LLC變換器的顯著優勢是基本上可以實現全負載范圍的開關管ZVS工作，如果要實現這一設計要點，需要考慮勵磁電感、死區時間、開關管的Coss、變壓器繞組寄生電容等電路諸多參數的搭配。

（圖3 ZVS和勵磁電感量的一個簡單計算）

假設一個初始設計目標為：ZVS需要勵磁電感需在死區時間內對LLC開關橋臂的中點注入或抽取電流，將上下兩個開關管的Coss電容充電/放電，讓其電壓提升到直流母線電壓的大小。

簡單算法：假設開關管的Coss大小基本不會隨著VDS電壓變化，即可計算出在死區時間內將Coss電容電壓提升到VIN或放電到0所需的電流，然后根據該電流去計算所需要的最大勵磁電感量，在此之前勵磁電感量通常需要根據諧振參數和增益曲線進行設計，計算出的勵磁電感可以作為一個能保證實現ZVS設計的校驗條件。如果根據諧振增益曲線設計的勵磁電感量低于上述滿足ZVS的最大勵磁電感量，即可使用；反之，還需要仔細優化參數，來保證ZVS的實現。

三、空載穩壓設計

反饋控制在空載情況下會拉升至最高開關頻率，這種情況在理論上應該能有效降低諧振增益，用于穩定輸出電壓，而在一些實際應用中，諧振增益曲線即使在高頻下的增益已經很低，但空載電壓依然不容易穩定。發生這種情況有可能是變壓器的繞組寄生電容也參與了諧振，其次，在高頻情況下使用FHA分析方法也不能準確地描述增益性能，所以LLC的空載穩壓工作有時候也是令人頭疼的問題。

解決方法還是需要從諧振增益曲線著手，比如減小勵磁電感量或者再調整諧振參數；除此以外，還可以采取讓開關頻率達到最高設定頻率，如果還不能穩定空載電壓可使系統進入burst mode，則通過間歇性工作，來降低向負載傳遞的平均功率能量，用于實現空載穩壓。

（圖4 空載情況下BM工作）

四、短路和過流考慮

LLC變換器如果是直接頻率控制，那諧振電流便無法參與環路控制，因此判斷短路和過流的方法，通常是使用諧振電流的平均值，即監測諧振電流瞬時值，得到其低通濾波器后的平均值，使用該平均值指示系統諧振電流的幅度。

(圖5 諧振電流平均值濾波器設置)

諧振電流的平均值在負載電流增加時也會同步增大幅度，因此當諧振電流平均值上升到過流保護比較器設定的保護點時，過流保護策略會起作用。其原理是通過快速提升系統工作頻率，來增大諧振網絡的阻抗，實現減少傳輸負載功率，達到過流保護。但是該策略只有在系統正常工作情況下會比較有用，而當輸出側短路時，就需要提升更快的工作頻率或者直接關機來防止系統損壞。

這其中存在的矛盾是，我們使用低通濾波器將諧振電流瞬時值改變為平均值后再進行的比較。因此這個低通濾波器的時間常數設置尤為重要，同時還需要考慮負載可能存在的負載峰值功率輸出時，會存在短時間大電流脈沖。如果該濾波器時間常數設置地太慢，會導致短路或過流保護不及時而損壞開關管；而濾波器時間常數設置地太快，短時間的峰值功率輸出可能更容易觸碰到過流保護策略，浪涌測試時也更容易影響到輸出不穩定。因此低通濾波器參數的設計，需要考慮穩態工作和異常工作的矛盾，仔細優化和完善的測試，才能保證系統的性能。

（圖6 過流保護響應）

以上4個關于LLC變換器應用的tips希望能給到工程師們一些啟示，同時歡迎大家批評指正，一起溝通行業相關知識，共同進步！

編輯：黃飛