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通过设计创新提高LLC串联谐振变换器效率

时间:2019-03-11 作者:Sheng-Yang Yu 阅读:
尽管LLC-SRC可以实现比硬开关反激式和正激式转换器高得多的效率,但如果想要实现最佳效率,仍然存在一些设计挑战。

十多年来,电源行业广泛应用LLC串联谐振变换器(LLC-SRC)作为低成本、高效率的隔离电源级。如图1所示,LLC-SRC带有两个谐振电感(两个“L”:Lm和Lr)和一个谐振电容(一个“C”:Cr)。LLC-SRC具有软开关特性,无需复杂的控制方案。这一软开关特性可以使用额定电压较低的元件,并且可以提供很高的转换效率。其简单的控制方案,即具有50%固定占空比的可变频率调制,仅需较低的控制器成本,比用于其它软开关拓扑的控制器(如相移全桥变换器)更具优势。

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图1:LLC-SRC原理图。

尽管LLC-SRC可以实现比硬开关反激式和正激式变换器高得多的效率,但如果想要实现最佳效率,仍然存在一些设计挑战。首先,在LLC-SRC设计中,两个谐振电感的比率(Lm-to-Lr)要小于10,以便可控范围足够宽。同时,还需要Lm具有很大的电感来降低循环电流,这意味着你需要有较大的Lr电感才能保持较低的谐振电感比。

值得注意的是,串联谐振电感器Lr中的电流完全是交流的没有任何直流成分,这意味着很高的磁通密度变化(ΔB高)。高ΔB意味着AC相关的电感损耗也较大。如果电感缠绕在铁氧体磁芯上,则磁芯气隙附近的边缘效应会导致较高的绕组损耗。

Lr电感大表明匝数更多并且AC绕组损耗更高。因此许多LLC-SRC设计在谐振电感中采用铁粉磁芯,这样可在绕组损耗和磁芯损耗之间取得折衷。尽管如此,高ΔB也会在谐振电感上产生相当大的损耗,要么是绕组损耗大,要么磁芯损耗大。

LLC-SRC设计的第二个挑战是如何最佳地优化同步整流器(SR)控制。LLC-SRC整流器电流导通时序取决于负载状态和开关频率。LLC-SRC SR控制最有前景的方法是感测SR场效应晶体管(FET)漏源极电压(VDS),并在VDS低于或高于某一水平时打开和关闭SR。VDS感测方法需要毫伏级精度,因此只能通过IC实现。由于电流馈电容性负载输出配置问题,自驱动或其它低成本SR控制方案不适用于LLC-SRC。因此,LLC-SRC SR控制器电路的成本通常高于其它拓扑。

为了解决这两个问题,即高电感损耗和SR控制,同时仍能充分利用谐振变换器的大部分优势,我们考虑使用一种改进的CLL多谐振变换器(CLL-MRC),如图2所示。

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图2:修改后的CLL-MRC原理图。

CLL-SRC所有三个谐振元件(一个电容和两个电感)都位于输入端,修改后的CLL-MRC将一个电感从输入端移到输出端,并将电感放置在整流器Lo之后,如图2所示。这种修改允许谐振电感带有直流电流成分,这意味着ΔB更低,磁损耗也可能更低。

将电感移至输出端,输出配置也从电流馈电容性负载配置变为电压馈电感性负载配置。电压馈电感性负载配置可实现低成本SR控制方案,因为您可以使用电感电压提供感测信号。

图3示出了修改后的CLL-MRC工作波形,其中fsw是变换器开关频率,fr1={2π[Cr(Lr1//Lr2)]0.5}-1是两个谐振频率之一。当fsw低于fr1时,输出绕组电流在开关周期结束前降至零,就像LLC-SRC中的输出绕组电流一样。现在输出端有一个电感,简单的电容和电阻组合可以感测输出电感的电压。每次发生大的电压变化(dV/dt)时,就是打开或关闭SR的时间。因此,SR控制方案的成本低于VDS感测方案。

当fsw高于fr1时,输出电感电流以连续导通模式工作。换句话说,ΔB变小,电感器AC损耗可能小得多,因此变换器效率可能高于LLC-SRC。

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图3:修改后的CLL-MRC关键波形:fsw<fr1(左);fsw>fr1(右)。

为了验证这些性能假设,我使用完全相同的元件和参数搭建了一个LLC-SRC和一个改进的CLL-MRC电源级。唯一的区别是使用72μH电感作为LLC-SRC谐振电感,使用1μH电感作为改进的CLL-MRC输出电感。

图4示出了两个电源级的效率测量。在较低的输入电压下,fsw低于fr1,修改后的CLL-MRC中的Lo电流仍处于不连续导通模式,具有较大的ΔB。因此,在这种工作状态下,修改后的CLL-MRC没有效率提升。

当输入电压变高时,fsw高于fr1,Lo电流处于连续导通模式。在430V输入时,修改后的CLL-MRC效率比LLC-SRC高1%。这一比较结果表明,如果将修改后的CLL-MRC设计为始终以高于fr1的频率工作,则其效能在整个范围内可能优于LLC-SRC。

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图4:具有不同输入电压的变换器效率:修改后的CLL-MRC(上);LLC-SRC(下)。

LLC-SRC确实是一种很好的拓扑结构,具有许多吸引人的特性。但针对不同的应用,它可能不是最佳的解决方案。有时,我们需要走出常规思路,创新的设计可以更低的电路成本实现更高的效率。

(原文刊登在ASPENCORE旗下EDN美国网站,参考链接:Power Tips #84: Think outside the LLC series resonant converter box。)

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