电源谐振半桥转换电路设计详解 —电路图天天读（219） - 全文

　　和传统脉宽调制（PWM）电源转换器不同的是，谐振转换器通过频率调制来调节输出电压。因此，谐振转换器的设计方法也与PWM转换器的设计方法有所差异。在各种类型的谐振转换器中，图1的LLC串联谐振转换器（LLC-SRC）格外引人瞩目，因为它有更强的输出调节功能、更小的循环电流和更低的电路成本。

　　

　　图1：具有交流（AC）输入/输出电压的LLC-SRC

　　串联谐振特性允许直流（DC）/DC LLC-SRC中的开关网络（如图2所示）拥有很宽范围的零电压开关（ZVS）；因此，LLC-SRC能在前端电源应用中轻松实现超过94％的效率，并能在高开关频率下运行。

　　

　　

　　图2：LLC谐振半桥转换器

　　和PWM转换器的设计过程相似，当设计LLC-SRC时，第一个步骤是选择满负载情况下所需的工作频率。剩下的步骤就不同了，因为谐振转换器里没有占空比因数。在LLC-SRC中占空比保持不变，是50％，非常理想。图3展示了LLC-SRC的设计流程图（来自TI电源设计研讨会主题“设计 LLC谐振半桥电源转换器”）。

　　

　　

　　图3：LLC谐振半桥变换器设计流程图

　　Mg/Qe和Mg/fn图表中的增益曲线是由图1所示的LLC谐振槽路（它也是LLC谐振半桥转换器的线性化电路）衍生而来的。

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　　图3提供了LLC谐振半桥转换器的简单电路参数选择过程。通过检查增益曲线上的fn_min、fn_max位置，您就能设计出在所有输入条件下开关网络上均具有ZVS的高效LLC谐振半桥变换器。

　　当设计LLC谐振半桥变换器时，请谨记：

　　任何时候，在Mg/fn图表中fn_min都需要高于增益曲线的脊线。这是为确保金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）能保持ZVS状态。LLC-SRC的效率只能在一个操作点进行优化。当fsw= fo时，串联Lr和Cr变成零阻抗状态（图4）；该转换器在那个点具有最高的效率。您需要决定自己想优化的线路/负载条件，并确保您的开关频率在那样的条件下是谐振频率。

　　

　　图4：当fsw=fo时具有AC输入/输出电压的LLC-SRC

　　等离子和液晶电视如今已经走入了千家万户，这两种电器的开关电源设计比较特殊，只能采用有源或者无源PFC模式，并且需要能够长时间在无散热通风的环境下工作。这就要求电源不仅要拥有高功率密度和平滑的电磁干扰信号，还要尽量少的使用元器件。而在这些方面，半桥LLC谐振转换器拥有诸多的优势。

　　半桥LL谐振电容和谐振电感的配置

　　单谐振电容和分体谐振电容都存在于半桥转换器当中。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（600~1，500V）的谐振电容。不过，这种方案也存在尺寸小、布线简单等优点。

　　

　　（a）单谐振电容;（b）分体谐振电容。

　　图1：半桥LLC转换器的两种不同配置

　　分体谐振电容相较于单个谐振电容而言，其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450V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Lm和串联的谐振电感Ls）。根据谐振电感位置的不同，谐振回路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。

　　将谐振电感安装在变压器外面是有目地的。其能够帮助设计者提高设计的灵活性，令设计人员可以灵活设置Ls和Lm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间的绝缘变得复杂，并且绕组的冷却条件变差，并需要组装更多元件。

　　

　　（a）分立解决方案;（b）集成解决方案。

　　图2：谐振储能元件的两种不同配置

　　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（LLK=LS）。这种解决方案只需1个磁性元件，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LS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转换器建模和增益特性

　　编辑点评：通过对实例的讲解，介绍了半桥LLC谐振转换器设计的部分要点和技巧，如配置、工作状态、增益特性等等，还对一些特定的参数进行了确定，希望本篇文章能够帮助大家增进对半桥LLC谐振转换器的了解。