LLC谐振转换器之分析

引言/摘要

全球对降低能耗的需求正在促进节能技术的推广。在70W - 500W交流输入电源中，由于LLC谐振转换器 (效率通常在90%以上) 的效率高于标准电源拓扑，所以其运用越来越广泛。本文阐释了谐振转换器高效的原因，并探讨了LLC谐振转换器的功能和优势，最后简要分析了一个采用FSFR2100 LLC谐振转换器的电源。

采用谐振转换器的理由

把能耗降至最低有许多好处：减少温室气体排放；减少不可再生能源的使用，以及降低运行电源的生命周期成本。电源节能倡议不仅建议或规定不同负载条件下电源的效率，而且还包括了对待机功耗的要求。在美国加州，50W以上的外部适配器的满负载效率必须大于85%。80PLUS等自愿性倡议要求电源在20%、50%和100%不同负载条件下的效率都大于80%。而欧盟正在对20大类产品进行评估，旨在于整个欧洲范围内推出节能规范，在其它地区的既有规范和自愿性标准预计将对欧盟规范有重大影响。

功率因数校正(PFC) 前端是电源常用的一项额外功能，例如80PLUS倡议就要求采用PFC的功能。PFC可以节省耗电量，避免建筑物内第三阶谐波电流造成的一些问题，而PFC电路一般能产生380V-400V左右的恒定电压，这种窄输入电压范围大大有利于谐振拓扑的采用。

以往，前级临界连续Boost升压PFC和后级双管正激拓补，都是100W – 300W功率因数校正电源的首选拓扑，这种情况直到最近才有所改变。这种拓扑简明易懂，是隔离型降压拓扑 (正激拓扑) 的衍生结构，利用两个晶体管代替一个晶体管，可尽量减小晶体管成本，简化变压器设计。此外，这种拓扑能够处理很宽的输入电压范围，具有很好的轻负载调节性能。不过，它需要一个很大的输出电感，在大负载条件下的效率低于谐振转换器。

谐振转换器中的零电压开关

谐振转换器的高效率优势源于它采用了零电压开关 (ZVS) 技术 [注1]。电路中的功率开关在其两端电压极低时导通。由于开关损耗和流经开关的电流与开关上的电压的乘积有关，而电压几乎为零，故导通损耗非常低。

只有在电流波形滞后于电压波形时，才会出现零电压开关。这种滞后由谐振电路产生，图1显示了一个谐振转换器的模块示意图。首先，利用半桥或全桥的电路把直流输入电压转换为方波，再将方波馈入谐振电路。方波是由正弦基波和一系列高阶谐波组成。在初步分析中，可以把方波近似为基波，可忽略高阶谐波的影响。

谐振电路产生电压波形基本分量和输出电流波形之间所需的相位滞后，其波形非常接近于正弦曲线。谐振电路一般带有一个变压器，既用来调节输出电压；也用作基于安全或电路考虑的隔离。然后，周期性输出电压波形被整流，产生所需的输出直流电压。关于调节该电压的控制回路稍后将会讨论。

图1 LLC谐振转换器模块示意图和零电压开关波形

图1显示了第一级的输出电压和电流。谐振网络造成的相移会在方波电压和正弦电流之间造成延时，从而实现零电压开关。当Q1关断时，谐振电流会流经Q2的体二极管。由于在Q2上的电压几乎为零，因此导通损耗极低。此外，还有一个好处是因为开关噪声更小，故EMI也被降低，而EMI噪声的主要分量在开关基频上。

要避免Q1 和 Q2同时导通的可能性，需要一定的死区时间。以Q1的关断波形为例，流经开关的电流很大，接近峰值。在关断期间的电压变化为满总线电压，故关断步骤不是无损的。

Q1的输出电容的作用也必须重视，为了便于解释，我们想象一下在Q1的漏源极之间增加一个非常大的外部电容，假设总线电压为400V，漏／源电压 (drain to source voltage) 为1V，栅极驱动电压为10V。在关断期间，电容会把漏-源电压钳位在1V。因为CGD 电容只需要9V的充电电压而非390V放电，故需要的电荷远少于正常关断电荷的1/40 (这里考虑到了CGD随电压减小的额外有利影响)。因此，Q1会因其上的电压低而迅速关断。不过，要增加非常大的电容是不切实际的，因为这会阻碍Q2的零电压导通。

MOSFET输出电容的影响，再加上有时候一个小的外部并联电容的作用，是可以降低部分关断的损耗，并有助于接近上面提到的理想状态。然而，必须谨慎考虑Q2关断和Q1导通的交互转换。为了确保Q2的零电压开关，很重要的一点是Q1的电容需完全充电，而充电时间应该不超过死区时间。在给于总线电压VBUS下该电容的充电时间tSW，开关时的电流ISW，以及有效漏／源电容CDSeff的关系如下：

VBUS由设计条件预先定义。如果CDSeff 为零，将出现Q1的硬开关和Q2的零电压开关。如果CDSeff 太大，则出现Q2硬开关状态。在轻载条件下，而 ISW 很小，那么随着负载的减小，Q2最终也 会出现硬开关状态。CDSeff 的选择