文档介绍：? 2007 飞兆半导体公司. ? 10/22/14 AN-4151 采用FSFR 系列飞兆电源开关(FPS?) 的半桥LLC 谐振变换器的设计简介不断增加的开关电源功率密度,已经受到了无源器件尺寸的限制。采取高频运行,可以大大降低无源器件,如变压器和滤波器的尺寸。但是过高的开关损耗势必成为高频运行的一大障碍。为了降低开关损耗和容许高频运行,谐振开关技术已经得到了发展。这些技术采用正弦方式处理电力,开关器件能够实现软转换。使得开关损耗与噪声大为降低[1-7]。在各种类型的谐振转换器中,最简单和最普遍的谐振转换器为LC 串联谐振转换器,其中整流器-负载网络与LC 谐振网络串联,如图1[2-4]所示。在该电路结构中,LC谐振网络与负载一起形成分压器。通过改变驱动电压V d的频率,可以改变该谐振网络的阻抗。输入电压在谐振网络阻抗与反射负载之间进行分压。由于分压作用,LC 串联谐振转换器的DC 增益总是小于1。在轻载条件下,相比谐振网络的阻抗而言,负载阻抗很大。全部输入电压都被施加到负载上。这使得轻载下很难调节输出。在空载时,为了能够调节输出,理论上谐振频率应该为无限大。+V O- R o Q 1 Q 2 n:1 L r C r V d V in 图1. 半桥LC 串联谐振转换器为了打破串联谐振转换器的限制,LLC谐振转换器已经获得提出[8-12]。LLC 谐振转换器是一种改进型的 LC 串联谐振转换器,通过在变压器初级绕组放置一个并联电感而得以实现,如图2所示。采用并联电感可以增加初级绕组的环流,有利于电路运行。由于这个概念不直观,在该拓扑首次提出时没有受到足够的重视。然而在开关损耗相比通态损耗占主导比重的高输入电压应用中,却有利于效率的提高。在大多数实际设计中,该并联电感采用变压器的励磁电感。LLC谐振转换器的电路图与LC串联谐振转换器的电路图十分相似。唯一的差别在于:励磁电感的取值不同。LLC谐振转换器的励磁电感远远大于LC串联谐振转换器的励磁电感(L r),LLC谐振转换器中的励磁电感为L r的3-8倍,通常通过增加变压器的气隙来获得。+V O- R o Q 1 Q 2 n:1 L r L shunt C r V in ( L m ) 图2. 半桥LLC谐振转换器 LLC谐振转换器具有许多超越串联谐振转换器的优点。它能够在较宽的电源和负载波动范围内调节输出,而开关频率波动却较小。在整个工作范围内,能够获得零电压开关(ZVS)。全部固有的寄生参数均可以用于实现软开关,包括所有半导体器件的结电容、变压器漏感与励磁电感。包括LLC谐振转换器工作原理的解释、变压器与谐振网络的设计、元器件的选型。给出设计实例,逐条地解释设计过程,有助于进行LLC谐振转换器的设计。 AN-4151 应用指南? 2007 飞兆半导体公司. ? 10/22/14 2 1. LLC 谐振转换器与基波近似图3中给出了半桥LLC 谐振转换器的原理简图,图中,L m指励磁电感,用作并联电感,L r指串联谐振电感, C r 指谐振电容。图4给出了LLC 谐振转换器的典型波形。假定:工作频率与谐振频率相同,后者决定于L r与C 。由于励磁电感相对较小,形成相当量的励磁电流(Im),在初级绕组续流,并不参与电能的传输。初级电流(I p)为励磁电流与次级电流反射到初级的电流之和。一般情况下,LLC谐振拓扑包括3 级电路,如图3所示,即方波发生器、谐振网络和整流器网络。?方波发生器负责产生方波电压V d,通过50%占空比交替驱动开关Q 1和Q 2来实现。通常,在连续切换中会引入一个较小的死区时间。方波发生器可以构造成全桥或半桥类型。?谐振网络包括一只电容、变压器漏感和励磁电感。谐振网络滤除高次谐波电流。在本质上, 即使方波电压施加到谐振网络上,也只有正弦电流容许流过该谐振网络。电流(I p)滞后于施加到谐振网络上的电压(即方波电压(V d)的基波分量被施加到半桥的图腾柱上),容许MOSFET零电压开通。如图4所示,当MOSFET 电压为零时 MOSFET 开通,此时电流流经反并联二极管。?整流器网络产生直流电压,采用整流器二极管和电容对交流电进行整流器。整流器网络可以设计成带有容性输出滤波器的全波整流器桥或中心抽头配置。 Q Q I V in Square wave generator work work +V- +V- R n:1 I L L C I I I 图3. 半桥LLC谐振转换器的原理图 Ip IDS1 Vd Im Vin ID Vgs2 Vgs1 图4. 半桥LLC谐振转换器的典型波形谐振网络的滤波作用可以采用基波近似原理,获得谐振转换器的电压增益,这需要假定方波电压的基波分量输入到谐振网络,并传输电能至输出端。由于次级端整流