十多年來,電源產業廣泛應用LLC串聯諧振轉換器(LLC-SRC)作為低成本、高效率的隔離電源級。如圖1所示,LLC-SRC帶有兩個諧振電感(兩個「L」:Lm和Lr)和一個諧振電容(一個「C」:Cr)。LLC-SRC具有軟開關特性,無需複雜的控制方案,這一軟開關特性可以使用額定電壓較低的元件,並且可以提供很高的轉換效率。其簡單的控制方案,即具有固定50%工作週期的可變頻率調製,僅需較低的控制器成本,比用於其他軟開關拓撲的控制器(如相移全橋轉換器)更具優勢。

20190307TA31P1 圖1 LLC-SRC原理圖。

儘管LLC-SRC可以實現比硬開關反馳式和順向式轉換器高得多的效率,但如果想要實現最佳效率,仍然存在一些設計挑戰。首先,在LLC-SRC設計中,兩個諧振電感的比率(Lm-to-Lr)要小於10,以便可控範圍足夠寬,同時,還需要Lm具有很大的電感來降低迴圈電流,這意味著需要有較大的Lr電感才能保持較低的諧振電感比。

值得注意的是,串聯諧振電感Lr中的電流完全是交流的沒有任何直流成分,這意味著很高的磁通密度變化(ΔB高),高ΔB意味著AC相關的電感損耗也較大。如果電感纏繞在鐵氧體磁芯上,則磁芯氣隙附近的邊緣效應會導致高繞組損耗。

Lr電感大表示匝數更多並且AC繞組損耗更高,因此許多LLC-SRC設計在諧振電感中採用鐵粉鐵芯,這樣可在繞組損耗和磁芯損耗之間取得折衷。儘管如此,高ΔB也會在諧振電感上產生相當大的損耗,不是繞組損耗大,就是磁芯損耗大。

LLC-SRC設計的第二個挑戰是如何最佳地優化同步整流器(SR)控制。LLC-SRC整流器電流導通時序取決於負載狀態和開關頻率,LLC-SRC SR控制最有前景的方法是感測SR場效應電晶體(FET)閘-源極電壓(VDS),並在VDS低於或高於某一水準時打開和關閉SR。VDS感測方法需要毫伏特等級精準度,因此只能透過IC實現。由於電流饋電容性負載輸出配置問題,自驅動或其他低成本SR控制方案不適用於LLC-SRC,因此,LLC-SRC SR控制器電路的成本通常高於其他拓撲。

為了解決這兩個問題,即高電感損耗和SR控制,同時仍能充分利用諧振轉換器的大部分優勢,可考慮使用一種改進的CLL多諧振轉換器(CLL-MRC),如圖2所示。

20190307TA31P2 圖2 修改後的CLL-MRC原理圖。

CLL-SRC所有三個諧振元件(一個電容和兩個電感)都位於輸入端,修改後的CLL-MRC將一個電感從輸入端移到輸出端,並將電感放置在整流器Lo之後,如圖2所示。這種修改允許諧振電感帶有直流電流成分,這意味著ΔB更低,磁損耗也可能更低。

將電感移至輸出端,輸出配置也從電流饋電容性負載配置變為電壓饋電感性負載配置。電壓饋電感性負載配置可實現低成本SR控制方案,因為可以使用電感電壓提供感測訊號。

圖3顯示了修改後的CLL-MRC工作波形,其中fsw是轉換器開關頻率,fr1={2π[Cr(Lr1//Lr2)]0.5}-1是兩個諧振頻率之一。當fsw低於fr1時,輸出繞組電流在開關週期結束前降至零,就像LLC-SRC中的輸出繞組電流一樣。現在輸出端有一個電感,簡單的電容和電阻組合可以感測輸出電感的電壓,每次發生大的電壓變化(dV/dt)時,就是打開或關閉SR的時間,因此,SR控制方案的成本低於VDS感測方案。

20190307TA31P3 圖3 修改後的CLL-MRC關鍵波形:fsw < fr1 (左);fsw >fr1(右)。

當fsw高於fr1時,輸出電感電流以連續導通模式工作。換句話說,ΔB變小,電感AC損耗可能小得多,因此轉換器效率可能高於LLC-SRC。

為了驗證這些性能假設,本文使用完全相同的元件和參數搭建了一個LLC-SRC和一個改進的CLL-MRC電源級。唯一的區別是使用72μH電感作為LLC-SRC諧振電感,使用1μH電感作為改進的CLL-MRC輸出電感。

圖4顯示了兩個電源級的效率測量。在較低的輸入電壓下,fsw低於fr1,修改後的CLL-MRC中的Lo電流仍處於不連續導通模式,具有較大的ΔB。因此,在這種工作狀態下,修改後的CLL-MRC沒有效率提升。

20190307TA31P4 圖4 具有不同輸入電壓的轉換器效率:修改後的CLL-MRC(上);LLC-SRC(下)。

當輸入電壓變高時,fsw高於fr1,Lo電流處於連續導通模式。在430V輸入時,修改後的CLL-MRC效率比LLC-SRC高1%。這一比較結果說明,如果將修改後的CLL-MRC設計為始終以高於fr1的頻率工作,則其效能在整個範圍內可能優於LLC-SRC。

LLC-SRC確實是一種很好的拓撲結構,具有許多吸引人的特性,但針對不同的應用,它可能不是最佳的解決方案。有時,我們需要走出常規思路,創新的設計可以更低的電路成本實現更高的效率。

(參考原文: Power Tips #84: Think outside the LLC series resonant converter box,by Sheng-Yang Yu)