NEST044 February 2024 UCC256404
半橋式串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器可爲(wèi)超過 100W 的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高效率和高功率密度。最常見的諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (圖 1) 是一個由串聯(lián)磁化電感器、諧振電感器和電容器組成的諧振電路 (縮寫爲(wèi) LLC)。參數(shù)值的選擇會決定諧振電路增益曲線的形狀，進而影響諧振轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中的表現(xiàn)。
圖 1 具有分離式諧振電容器的半橋式 LLC 功率級，參數(shù)值的選擇會決定諧振電路增益曲線的形狀，這需要在向電路施加能量前進行確認(rèn)。來源：德州儀器一旦您確定好一組參數(shù)並已選擇元件，請務(wù)必在向電路施加能量之前確認(rèn)增益曲線。在本用電訣竅中，我將說明測量諧振電路增益曲線的技術(shù)及如何解讀結(jié)果，並會提供範(fàn)例來呈現(xiàn)此技術(shù)的優(yōu)點與限制。
頻率響應(yīng)分析儀向任何電路注入小型 AC 訊號，然後測量系統(tǒng)中兩點之間的電壓，以判讀已確定頻率範(fàn)圍內(nèi)的訊號增益和相位延遲。此設(shè)備最常用於測試控制迴路，但各位也可利用頻率響應(yīng)分析儀來測量 LLC 轉(zhuǎn)換器功率級增益。圖 2 顯示了這種測量的接線圖。
圖 2 將諧振電路連接至頻率響應(yīng)分析儀以重新產(chǎn)生增益曲線圖的接線圖。功率級增益圖可透過顯示通道 2 電壓幅度除以通道 1 的電壓而得。來源：德州儀器半橋式 LLC 具有一對諧振電容器，其中一個連接至輸入電壓，另一個則連接至主要接地。若要在此電路中執(zhí)行測試，諧振電容器必須彼此並聯(lián)，並與主要繞組串聯(lián)。分析儀的注入訊號與通道 1 測量會透過一次側(cè)元件，從半橋的切換節(jié)點連接至諧振電容器的另一端。分析儀的二次通道 (通道 2) 透過二次繞組連接，並加入電阻以模擬負(fù)載條件。掃描注入的 AC 訊號頻率後，您可以藉由顯示通道 2 電壓幅度除以通道 1 電壓來繪製功率級增益。圖 3 顯示了測試結(jié)果範(fàn)例。
圖 3 可以從 ???圖 2 中所示的測試設(shè)定中觀察到的 LLC 諧振電路增益曲線測量範(fàn)例。來源：德州儀器您可以根據(jù)變壓器匝比和功率級一次側(cè)及二次側(cè)的開關(guān)與繞組配置，將功率級增益轉(zhuǎn)換為電壓增益。半橋式 LLC 功率級通常顯示為中心分接二次繞組和兩個輸出整流器。在此範(fàn)例中，輸出電壓約為諧振電路於運作頻率下的輸入電壓、匝比與增益的乘積。圖 4 中繪製的其他二次配置選項，可讓諧振電路轉(zhuǎn)換為更高的輸出電壓。請注意，如果一次側(cè)配置了全橋，則需要將這些比率乘以兩倍。
圖 4 在二次側(cè)配置一個全波整流器會使傳輸?shù)哪芰?(a) 翻倍；雙端二次配置則可達到四倍電壓增益 (b)。來源：德州儀器此技術(shù)的優(yōu)點是可直接在 PCB 上進行測量，並在測試結(jié)果中考慮功率級寄生元件。TI E2E ? 設(shè)計支援論壇文章「爲(wèi)什麼您的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器頻率會偏離」使用替代模型來解釋變壓器結(jié)構(gòu)如何在電路中引入其他電感 (圖 5)。您可將這些固有寄生元件作為設(shè)計主軸，或?qū)⑵湔现聊脑O(shè)計中。舉例來說，您可將洩漏電感作為諧振電感器，這樣便可從設(shè)計中移除實體元件來節(jié)省成本並提升效率。透過這個快速測試，可以使用此方法簡化諧振電路設(shè)計的最佳化過程。
圖 5 使用洩漏電感作為 LLC 轉(zhuǎn)換器諧振元件的變壓器模型，讓設(shè)計人員能夠以固有寄生元件為設(shè)計主軸，或?qū)⑵湔现猎O(shè)計中。來源：德州儀器在二次側(cè)使用同步整流器，可進一步提升 LLC 轉(zhuǎn)換器效率。這麼做會降低傳導(dǎo)損耗，傳導(dǎo)損耗往往主導(dǎo)了元件的總損耗特性；不過，MOSFET 的選擇會改變增益曲線的形狀。低電阻 MOSFET 的輸出電容較大。變壓器匝比可以放大此電容，在某些情況下可能會造成問題。如我先前所提，測試電路中的增益曲線有助於計算整個功率級的其他寄生元件。圖 6 重點呈現(xiàn)了初始諧振電路設(shè)計中，可能未注意到的 MOSFET 輸出電容所造成的影響。
圖 6 在此設(shè)計中，寄生電容會增加 300kHz 左右的諧振，這並非設(shè)計階段所需。來源：德州儀器但是，使用頻率響應(yīng)分析儀無法將所有設(shè)計寄生元件納入考量。例如，測量結(jié)果不會顯示彼此耦合不良的二次繞組對中心分接頭結(jié)構(gòu)的影響。一次繞組和二次繞組之間的鬆散耦合將形成洩漏電感，這在 LLC 設(shè)計中有一定的好處。不過二次繞組彼此耦合不良將會降低功率級的性能。在 AC 分析中不可能觀察到這種情況的影響，但在監(jiān)測二次繞組電壓時會很明顯。
例如，圖 7 中的設(shè)計具有正確的增益曲線。不過，觀察二次繞組的電壓時會發(fā)現(xiàn)，位準(zhǔn)一開始時較高，然後降至低於輸出電壓的位準(zhǔn)。在理想情況下，這些電壓波形應(yīng)看起來更像方波。鬆散耦合還會在二次整流器的關(guān)閉邊緣產(chǎn)生大洩漏突波。隨著負(fù)載的增加，二次側(cè)彼此鬆散耦合的扭曲效應(yīng)變得更加明顯，並限制可能的輸出電源。
圖 7 變壓器設(shè)計中的鬆散耦合在切換波形中很明顯，但在增益曲線中並非如此。來源：德州儀器即使重新配置此變壓器設(shè)計使二次繞組更好地耦合，產(chǎn)生的諧振電感和磁化電感仍保持不變。正如預(yù)期，增益曲線測量無肉眼可察覺的差異。但 圖 8 中的切換波形描繪出新設(shè)計的顯著改善。
圖 8 改良版變壓器設(shè)計利用更佳的耦合減少電壓下降，同時維持增益曲線形狀。來源：德州儀器重新配置二次繞組後，切換波形看起來更接近預(yù)期；波形更趨於方形，阻斷電壓等於輸出電壓。關(guān)閉邊緣的洩漏突波也得到消除。
兩種變壓器設(shè)計實際上相同，不需額外元件，不過這些變化對整體效率產(chǎn)生了很大的影響。
設(shè)計諧振轉(zhuǎn)換器時，請驗證諧振電路的增益曲線來開始評估。雖然無法偵測所有故障，但您仍能夠深入了解可達到的增益，以及預(yù)期的運作頻率範(fàn)圍。