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半桥LLC 谐振转换器的设计考虑及安森美半导体解决方案.pdf
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2019-05-22
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半桥LLC 谐振转换器的设计考虑及安森美半导体解决方案,近年来,液晶电视(LCD TV)和等离子电视(PDP TV)市场迅速增长。这些市场及其 它一些市场需要具有如下功能特色的开关电源(SMPS): • 150 W至600 W 的输出功率范围 • 采用有源或无源PFC(由所需功率决定) • 宽度和空间有限,无散热风扇,通风条件有限 • 面向竞争激烈的消费电子市场 这就要求开关电源具有较高的功率密度和平滑的电磁干扰(EMI)信号,而且解决方 案元器件数量少、性价比高。虽然开关电源可以采用的拓扑结构众多,但双电感加 单电容(LLC)串联谐振转换器在满足这些应用要求方面拥有独特的优势。 这种拓扑结构比较适合中大尺寸液晶电视输出负载范围下工作。通常反激式拓扑结 构最适用于功率不超过70 W、面板尺寸不超过21 英寸的应用,双反激拓扑结构 则适合功率介于120 W 至180 W 之间、26 至32 英寸的应用,而半桥LLC 则在 120 W 至300 W 乃至更高功率范围下都适用,适合于从中等(26 至32 英寸)、较 大(37 英寸)和大尺寸(大于40 英寸)等更宽范围的应用。 此外,在LLC 串联谐振转换器拓扑结构中,元器件数量有限,谐振储能(tank)元件 能够集成到单个变压器中,因此只需要1 个磁性元件。在所有正常负载条件下, 初级开关都可以工作在零电压开关(ZVS)条件。而次级二极管可以采用零电流开关 (ZCS)工作,没有反向恢复损耗。总的来看,半桥LLC 串联谐振转换器是适用于 中、高输出电压转换器的高性价比、高能效和EMI 性能优异的解决方案。
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半桥 LLC 谐振转换器的设计考虑及安森美半导体解决方案
Design considerations for a Half-Bridge LLC Resonant Converter
近年来,液晶电视(LCD TV)和等离子电视(PDP TV)市场迅速增长。这些市场及其
它一些市场需要具有如下功能特色的开关电源(SMPS):
• 150 W 至 600 W 的输出功率范围
• 采用有源或无源 PFC(由所需功率决定)
• 宽度和空间有限,无散热风扇,通风条件有限
• 面向竞争激烈的消费电子市场
这就要求开关电源具有较高的功率密度和平滑的电磁干扰(EMI)信号,而且解决方
案元器件数量少、性价比高。虽然开关电源可以采用的拓扑结构众多,但双电感加
单电容(LLC)串联谐振转换器在满足这些应用要求方面拥有独特的优势。
这种拓扑结构比较适合中大尺寸液晶电视输出负载范围下工作。通常反激式拓扑结
构最适用于功率不超过 70 W、面板尺寸不超过 21 英寸的应用,双反激拓扑结构
则适合功率介于 120 W 至 180 W 之间、26 至 32 英寸的应用,而半桥 LLC 则在
120 W 至 300 W 乃至更高功率范围下都适用,适合于从中等(26 至 32 英寸)、较
大(37 英寸)和大尺寸(大于 40 英寸)等更宽范围的应用。
此外,在 LLC 串联谐振转换器拓扑结构中,元器件数量有限,谐振储能(tank)元件
能够集成到单个变压器中,因此只需要 1 个磁性元件。在所有正常负载条件下,
初级开关都可以工作在零电压开关(ZVS)条件。而次级二极管可以采用零电流开关
(ZCS)工作,没有反向恢复损耗。总的来看,半桥 LLC 串联谐振转换器是适用于
中、高输出电压转换器的高性价比、高能效和 EMI 性能
优异的解决方案。
半桥 LLC 转换器中谐振电容和谐振电感的配置
LLC 半桥转换器的构
造存在着单谐振电容
(C
S
)和分体(split)谐振
电容(C
S1
和 C
S2
)等不
同方案。如图 1 所
示。对于单谐振电容配
置而言,它的输入电流
纹波和均方根(RMS)值
较高,而且流经谐振电
容的均方根电流较大。
这种方案需要耐高压
(600 至 1,500 V)的谐
振电容。不过,这种方
案也存在尺寸小、布线
简单等优点。
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图 1:半桥 LLC 转换器的两种不同配置:(a)单谐振电容;(b)分体谐振电容
与单个谐振电容配置相比,分体谐振电容配置的输入电流纹波和均方根值较小,谐
振电容仅处理一半的均方根电流,且所用电容的电容量仅为单谐振电容的一半。当
利用钳位二极管(D3 和 D4)进行简单、廉价的过载保护时,这种方案中,谐振电容
可以采用 450 V 较低额定电压工作。
顾名思义,半桥 LLC 转换器中包含 2 个电感(励磁电感 L
m
和串联的谐振电感 L
s
)。
根据谐振电感位置的不同,谐振回路(resonant tank)也包括两种不同的配置,一种
为分立解决方案,另一种为
集成解决方案。这两种解决
方案各有其优缺点,采用这
两种方案的 LLC 的工作方
式也有轻微差别。
对于分立解决方案而言,谐
振电感置于变压器外面。这
使得设计灵活性也就更高,
令设计人员可以灵活设置的
L
s
和 L
m
的值;此外,EMI
幅射也更低。不过,这种解
决方案的缺点在于变压器初
级和次级绕组之间的绝缘变
得复杂和绕组的冷却条件变
差,并需要组装更多元件。
图 2:谐振储能元件的两种不同配置:(a)分立解决方案;(b)集成解决方案
在另一种集成的解决方案中,变压器的漏电感被用作谐振电感(L
LK
=L
S
)。这种解决
方案只需 1 个磁性元件,成本更低,而且会使得开关电源的尺寸更小。此外,变
压器绕组的冷却条件更好,且初级和次级绕组之间可以方便地实现绝缘。不过,这
种解决方案的灵活性相对较差(可用的 L
S
电感范围有限),且其 EMI 幅射更强,而
初级和次级绕组之间存在较强的邻近效应。
半桥 LLC 转换器的工作状态
根据负载条件的不同,LLC 转换器的频率会出现变化。对于分立谐振回路解决方
案而言,可以定义两个谐振频率,分别是串联谐振频率 F
s
和最小谐振频率 F
min
。
其中,
,
ss
s
LC
F
⋅⋅⋅
=
π
2
1
)(2
1
min
mss
LLC
F
+⋅⋅⋅
=
π
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