LLC变换器实现全负载范围开关管ZVS工作的技术要点

什么？设计出来的LLC不好用！？

导致LLC变换器不好用的原因其实有很多，谐振参数、全范围软开关设计、空载稳压设计.......等都有可能出差错（反正不是你的问题）

首先我们知道LLC变换器属于庞大的谐振变换器拓扑家族系列。谐振腔是该拓扑系列的基础特征，是一组以特定频率（称为谐振频率）振荡的电感器和电容器组成的电路。与传统PWM（脉宽调节）变换器相比，LLC可以通过控制开关频率（频率调节）来实现输出电压恒定的谐振电路，这种开关模式的 DC/DC 电源变换器允许采用更高开关频率 (Fsw)，并且降低了开关损耗，因此更适用于高功率和高效率应用。

正是由于LLC谐振变换器能满足现代电源设计苛刻的性能要求而成为电力电子领域的热门话题，但这≠每个人都能成功设计出来......

经过长时间的实践与验证（折磨），茂睿芯研发团队的小伙伴们总结了一些LLC应用设计时应该注意的方法~今天我们先分享4点！

一、谐振参数的选择

LLC变换器虽然适合高频工作，但是一味地追求整个系统在较高的开关频率运行反而会损失效率。因此，在设计的初始阶段，需要根据设计的散热方式、功率密度、磁件性能、开关器件来选择合理的额定工作频率。

（图1 TDK PC47磁心损耗表）

工业电源领域大多数的设计会选择100KHz左右的谐振频率。明确谐振频率后便着手设计谐振参数，谐振参数产生的增益曲线会与负载功率水平有关系。一般情况下，系统的最恶劣工作点在最高输出电压、最大输出电流、最低输入电压这几个条件同时存在时，负载产生的阻尼效果最强，谐振增益尖峰会被降低，输出电压也会降低。

（图2 不同负载下的谐振增益曲线）

设计者需要极力避免以下情况，如果反馈闭环继续降低开关频率，则可能进入ZCS容性区域，导致开关管失去ZVS，使得闭环控制的增益不再单调，那么系统会进入不稳定状态。因此，一般工程设计首先需要考虑系统的输出电压范围，这决定了谐振参数所需产生的最大增益。

在最恶劣情况下，设计者需要保证谐振增益曲线能满足输出电压范围的需求。事实上这里存在两种不同情况：

①如果系统的输出电压变化很窄，比如服务器电源，挖矿机电源等应用，可以把增益曲线设计的放平缓，加大励磁电感量，可以减少励磁电流。

②如果系统的输出电压范围很宽，比如车载OBC，充电桩模块等应用，就需要设计陡峭的增益曲线，减小励磁电感量，来满足宽范围的输出应用。

以上两种措施虽然都是LLC变换器的设计，但是因地制宜采取的方式还是截然不同的，如果能在设计之初提前考虑到这些情况的发生，无疑能更快达到系统设计的初衷。

二、全范围软开关设计

LLC变换器的显著优势是基本上可以实现全负载范围的开关管ZVS工作，如果要实现这一设计要点，需要考虑励磁电感、死区时间、开关管的Coss、变压器绕组寄生电容等电路诸多参数的搭配。

（图3 ZVS和励磁电感量的一个简单计算）

假设一个初始设计目标为：ZVS需要励磁电感需在死区时间内对LLC开关桥臂的中点注入或抽取电流，将上下两个开关管的Coss电容充电/放电，让其电压提升到直流母线电压的大小。

简单算法：假设开关管的Coss大小基本不会随着VDS电压变化，即可计算出在死区时间内将Coss电容电压提升到VIN或放电到0所需的电流，然后根据该电流去计算所需要的最大励磁电感量，在此之前励磁电感量通常需要根据谐振参数和增益曲线进行设计，计算出的励磁电感可以作为一个能保证实现ZVS设计的校验条件。如果根据谐振增益曲线设计的励磁电感量低于上述满足ZVS的最大励磁电感量，即可使用；反之，还需要仔细优化参数，来保证ZVS的实现。

三、空载稳压设计

反馈控制在空载情况下会拉升至最高开关频率，这种情况在理论上应该能有效降低谐振增益，用于稳定输出电压，而在一些实际应用中，谐振增益曲线即使在高频下的增益已经很低，但空载电压依然不容易稳定。发生这种情况有可能是变压器的绕组寄生电容也参与了谐振，其次，在高频情况下使用FHA分析方法也不能准确地描述增益性能，所以LLC的空载稳压工作有时候也是令人头疼的问题。

解决方法还是需要从谐振增益曲线着手，比如减小励磁电感量或者再调整谐振参数；除此以外，还可以采取让开关频率达到最高设定频率，如果还不能稳定空载电压可使系统进入burst mode，则通过间歇性工作，来降低向负载传递的平均功率能量，用于实现空载稳压。

（图4 空载情况下BM工作）

四、短路和过流考虑

LLC变换器如果是直接频率控制，那谐振电流便无法参与环路控制，因此判断短路和过流的方法，通常是使用谐振电流的平均值，即监测谐振电流瞬时值，得到其低通滤波器后的平均值，使用该平均值指示系统谐振电流的幅度。

(图5 谐振电流平均值滤波器设置)

谐振电流的平均值在负载电流增加时也会同步增大幅度，因此当谐振电流平均值上升到过流保护比较器设定的保护点时，过流保护策略会起作用。其原理是通过快速提升系统工作频率，来增大谐振网络的阻抗，实现减少传输负载功率，达到过流保护。但是该策略只有在系统正常工作情况下会比较有用，而当输出侧短路时，就需要提升更快的工作频率或者直接关机来防止系统损坏。

这其中存在的矛盾是，我们使用低通滤波器将谐振电流瞬时值改变为平均值后再进行的比较。因此这个低通滤波器的时间常数设置尤为重要，同时还需要考虑负载可能存在的负载峰值功率输出时，会存在短时间大电流脉冲。如果该滤波器时间常数设置地太慢，会导致短路或过流保护不及时而损坏开关管；而滤波器时间常数设置地太快，短时间的峰值功率输出可能更容易触碰到过流保护策略，浪涌测试时也更容易影响到输出不稳定。因此低通滤波器参数的设计，需要考虑稳态工作和异常工作的矛盾，仔细优化和完善的测试，才能保证系统的性能。

（图6 过流保护响应）

以上4个关于LLC变换器应用的tips希望能给到工程师们一些启示，同时欢迎大家批评指正，一起沟通行业相关知识，共同进步！

编辑：黄飞