【導讀】十幾年來，電源行業廣泛采用了圖 1 中所示的電感器-電感器-電容器 (LLC) 串聯諧振轉換器 (LLC-SRC) 作為低成本、高效率的隔離式功率級，其中包含兩個諧振電感器（兩個“L”：Lm 和 Lr）和一個諧振電容器（一個“C”：Cr）。LLC-SRC 器件具有軟開關特性，沒有復雜的控制方案。得益于軟開關特性，該器件支持使用額定電壓較低的元件，并可提高效率。該器件采用簡單的控制方案，即具有 50% 固定占空比的變頻調制方案，與相移全橋轉換器等用于其他軟開關拓撲的控制器相比，所需的控制器成本更低。
本文屬于德州儀器“電源設計小貼士”系列技術文章，將主要討論LLC-SRC設計優化面臨的挑戰及解決方案，探討如何跳出LLC串聯諧振轉換器思維定式，提供全新的解決思路。
十幾年來，電源行業廣泛采用了圖 1 中所示的電感器-電感器-電容器 (LLC) 串聯諧振轉換器 (LLC-SRC) 作為低成本、高效率的隔離式功率級，其中包含兩個諧振電感器（兩個“L”：Lm 和 Lr）和一個諧振電容器（一個“C”：Cr）。LLC-SRC 器件具有軟開關特性，沒有復雜的控制方案。得益于軟開關特性，該器件支持使用額定電壓較低的元件，并可提高效率。該器件采用簡單的控制方案，即具有 50% 固定占空比的變頻調制方案，與相移全橋轉換器等用于其他軟開關拓撲的控制器相比，所需的控制器成本更低。
圖 1. LLC-SRC
LLC-SRC設計優化的兩大挑戰
盡管 LLC-SRC 的效率可以比硬開關反激式和正激式轉換器高很多，但如果要實現最佳的效率，仍然存在一些設計挑戰。
首先，在 LLC-SRC 設計中，為了實現足夠寬的可控范圍，兩個諧振電感器之比 (Lm/Lr) 可能必須小于 10。同時，需要 Lm 具有較大的電感，以便降低循環電流，因此需要保持高 Lr 電感以確保諧振電感比值低。
值得注意的是，串聯諧振電感器 Lr 中的電流完全是交流電，沒有任何直流分量，這意味著磁通密度變化很大（即 ΔB 很高）。高 ΔB 意味著與交流相關的電感器損耗也很高。如果電感器繞在鐵氧體磁芯上，磁芯空氣間隙附近的邊緣效應會產生較高的繞組損耗。
Lr 電感高，則意味著電感器匝數較多、交流繞組損耗較大。因此，許多 LLC-SRC 設計都對諧振電感器采用鐵粉磁芯，在繞組損耗和磁芯損耗之間進行權衡。然而，高 ΔB 會在諧振電感器上產生相當大的損耗：高繞組損耗或高磁芯損耗。
LLC-SRC 設計的第二個挑戰是如何合理優化同步整流器 (SR) 控制。LLC-SRC 整流器電流傳導時序取決于負載條件和開關頻率。最有前景的 LLC-SRC SR 控制方法是檢測 SR 場效應晶體管 (FET) 漏源電壓 (VDS)，并在 VDS 低于或高于特定電平時開啟和關閉 SR。VDS 檢測方法需要毫伏級的精度，因此只能在集成電路中實現。自驅動或其他低成本 SR 控制方案不適用于 LLC-SRC，因為此類器件采用帶電容負載的電流饋入型輸出配置。因此，LLC-SRC SR 控制器電路的成本通常高于其他拓撲的成本。
改良版CLL-MRC
為了解決這兩個挑戰（高電感器損耗和 SR 控制），同時保持諧振轉換器所能提供的大部分優勢，請考慮使用改良版 CLL 多諧振轉換器 (CLL-MRC)，如圖 2 所示。
圖 2. 改良版 CLL-MRC
與所有三個諧振元件（一個電容器和兩個電感器）都位于輸入側的 CLL-MRC 不同，改良版 CLL-MRC 將一個電感器從輸入側移動到輸出側，并將電感器放置在整流器 Lo 之后，如圖 2 所示。這種修改允許諧振電感器上含有直流電流，這意味著 ΔB 更小，磁損耗也可能更低。
圖 3 展示了改良版 CLL-MRC 的工作原理，其中 fsw 是轉換器開關頻率，而 fr1 = {2π[Cr (Lr1 //Lr2 )] 0.5} -1 是兩個諧振頻率的其中之一。當 fsw 低于 fr1 時，輸出繞組電流在開關周期結束前下降到零，這一點與 LLC-SRC 中的輸出繞組電流類似。現在，輸出端有一個電感器。一組簡單的電容器和電阻器即可檢測輸出電感器電壓。每次出現較大的電壓變化率 (dV/dt) 時，便是開啟或關閉 SR 的時機。因此，SR 控制方案的成本低于 VDS 檢測方案。
當 fsw 高于 fr1 時，輸出電感器電流會處于連續導通模式。換言之，與 LLC-SRC 相比，ΔB 減小，電感器交流損耗可能大幅減小，轉換器效率可能提高。
圖 3. 改良版 CLL-MRC 的重要波形：fsw < fr1（左），fsw > fr1（右）
為了驗證這些性能假設，我構建了一個 LLC-SRC 和另一個具有完全相同元件和參數的改良版 CLL-MRC 功率級。兩者唯一的區別是 72μH 電感器用作 LLC-SRC 諧振電感器，1μH 電感器用作改良版 CLL-MRC 輸出電感器。
圖 4 顯示了兩個功率級的效率測量結果。當輸入電壓較低時，fsw 小于 fr1，因此改良版 CLL-MRC 中的 Lo 電流仍處于不連續導通模式，并具有較大的 ΔB。因此，在這種運行條件下，改良版 CLL-MRC 沒有效率優勢。
當輸入電壓升高時，fsw 大于 fr1，Lo 電流處于連續導通模式。使用 430V 輸入時，改良版 CLL-MRC 的效率比 LLC-SRC 高 1%。這一比較表明，如果將改良版 CLL-MRC 設計為始終在高于 fr1 的頻率下運行，則其在整個范圍內的效率性能可能優于 LLC-SRC。
圖 4. 不同輸入電壓電平下的轉換器效率：改良版 CLL-MRC（頂部），LLC-SRC（底部）
結語
LLC-SRC 確實是出色的拓撲，可提供許多吸引人的特性。但根據應用的不同，其可能并不是最佳解決方案。為了實現更高的效率和更低的電路成本，有時需要跳出思維定式。
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