詳解諧振變換器的自動頻率跟蹤技術

今天呢，主要想聊一下關于諧振變換器的自動頻率跟蹤技術，這里我們主要以LLC諧振變換器為例。對于LLC諧振變換器來，當開關頻率等于諧振頻率時，此時變換器的效率最高，除此之外，變換器的輸出電壓不隨負載的變化而變化。因為，在很多應用中，LLC變換器被設計工作在諧振點從而實現高效率變換。由于此時LLC變換器的增益為固定值與負載無關，因此該工作模式也被稱作直流變壓器（DC Transformer）工作模式。下面將介紹兩種較為典型的應用。圖一所示是兩級車載充電機方案。該方案里，后級LLC變換器設計工作在諧振點實現高效率變換。為了實現對輸出電壓的調節，該方案采取變母線電壓的方式即通過調節前級PFC的輸出電壓來達到對輸出電壓的調節。圖二所示為LLC變換器工作在諧振點在數據中心電源中的應用。同理，輸出電壓的調節通過改變前級變換器的輸出電壓來實現。

圖一、兩級車載充電機方案【1】

圖二、兩級數據中心電源方案【1】

盡管如此，由于在實際工作中，諧振變換器電路參數并不是一成不變的，它會隨著工作電壓，工作電流，溫度以及老化等因素影響而發生偏移，從而導致LLC變換器工作點發生偏移即沒有工作在理想的諧振點。因此，自動諧振頻率跟蹤技術就變得尤其重要。已有的自動頻率跟蹤技術大多存在以下一個或多個缺點：1）無法適用于所有工作模態；2）無法適用于所有LLC變換器拓撲；3）需要高帶寬以及高處理速度的數字控制器；4）復雜的控制電路。這里以基于副邊二極管電流的頻率跟蹤方案為例。圖三所示為LLC變換器在不同模式下的工作波形?？梢钥闯?，在小于諧振頻率工作時，二極管電流工作在斷續模式，因此它存在零電流時間。而當變換器工作在諧振點時，二極管電流工作在連續模式且不存在零電流時間。因此，LLC變換器諧振頻率跟蹤可以通過判斷二極管電流是否存在為零而實現。顯然，這種方法最明顯的缺陷就是它不能工作在大于諧振頻率范圍內，因為當LLC變換器工作在大于諧振頻率范圍內，副邊二極管電流同樣也工作在連續模式。

（a）LLC變換器工作小于諧振頻率

（b）LLC變換器工作在諧振頻率

（c）LLC變換器工作在大于諧振頻率

圖三、LLC變換器在不同模式下的工作波形

其實通過觀察變壓器兩端電壓，我們可以發現，當變換器工作在小于諧振頻率時，變壓器副邊電壓并不是一直被輸出電壓鉗位，而是存在一段電壓小于輸出電壓的階段如圖四所示。因此呢，我們就可以得到變壓器副邊電壓絕對值的平均值是小于輸出電壓的。那么，我們便可以根據這個特性從而實現對諧振頻率的跟蹤。圖五所示便是具體的頻率跟蹤步驟。首先通過檢測變壓器副邊電壓以及輸出電壓的平均值并計算它們的比值。如果這個比值小于1，那么說明LLC變換器此時工作在小于諧振頻率如圖四所示，那么我們便可以通過增加開關頻率從而實現對諧振頻率的跟蹤。當計算得到的比值等于1時，變換器也有可能工作在大于諧振頻率，因為當變換器工作在大于諧振頻率時，變壓器副邊電壓永遠被輸出電壓鉗位。這時，我們便可以通過減小開關頻率并觀察比值是否小于1，如果比值仍等于1，則變換器仍工作在大于諧振頻率。因此，諧振頻率跟蹤便可以通過減小開關頻率直到電壓比值小于1為止來實現。

圖四、LLC變換器小于諧振頻率時的工作波形

圖五、基于變壓器副邊電壓的頻率跟蹤技術

圖六所示為實驗驗證結果。實驗中，LLC變換器的諧振頻率為150 kHz左右，首先，變換器的起始開關頻率被設置在90 kHz來模擬當變換器工作在小于諧振頻率時?？梢钥闯銎鹗茧A段，變壓器副邊電壓（藍色波形）并未被輸出電壓完全鉗位。因此，通過增加開關頻率來達到頻率跟蹤，可以看出在諧振點工作時，變壓器副邊電壓被輸出電壓完全鉗位。圖七所示為當變換器工作在大于諧振頻率時的實驗波形?？梢钥闯?，當變換器工作在大于諧振頻率時，變壓器與諧振點工作一樣，均被輸出電壓完全鉗位。因此可以通過降低開關頻率，直到變壓器副邊電壓存在不被完全鉗位的情況為止，那么諧振頻率便是上一時刻所對應的開關頻率。

圖六、基于變壓器副邊電壓的頻率跟蹤技術的實驗波形（小于諧振頻率）

圖七、基于變壓器副邊電壓的頻率跟蹤技術的實驗波形（大于諧振頻率）