LLC谐振变换器空载输出电压漂高问题分析解决

摘要：LLC谐振变换拓扑以其高效率、高频化及良好的电磁兼容(EMC)特性等优势获得广泛应用，但实际中空载问题是个难点，空载输出电压漂高是一种常见现象，经常出现超出稳压精度要求的情况，常见解决方案是空载下让LLC工作在打嗝模式或假负载的模式，但打嗝模式会导致较大的空载输出电压纹波，假负载会影响电源效率。总结分析了一种在解决产品实际问题时得出的实用方案，通过实验测试发现初级器件的振荡电压通过变压器传到次级，若开关频率达到设置的最高限制频率，必然导致空载情况下输出电压漂高。通过实验分析得出减小变压器次级绕组端电压振荡的解决方案，经实验验证并应用到实际产品中，取得了良好的效果。
关键词：变换器；空载电压漂高；谐振电感；电压振荡

1 引言
LLC谐振变换拓扑具有高效率、高频化及良好的EMC特性等优势，因此得到广泛应用。但实际应用中，尤其在宽输出电压范围应用中，如通信电源模块中输出电压在0～58 V且输出电流在空载和满载间变化，这种情况下空载、纹波及杂音等问题的处理都存在一定困难。空载输出电压漂高是常见现象，经常出现超出稳压精度要求范围的情况，通常解决方案是空载下让LLC工作在打嗝模式、假负载或PWM模式，打嗝模式会导致较大的输出电压纹波，假负载会影响电源效率，PWM模式会使设计复杂化。
在解决一款200 W电源产品空载问题过程中，发现初级器件的振荡电压通过变压器传到次级，导致次级绕组端电压呈现幅值较大的振荡，若开关频率达到限制的最高频率，必然导致空载下输出电压漂高，通过实验得出一种降低次级绕组输出电压振荡幅度的方案，取得了良好效果。

2 原理与设计
图1为输入交流100～264V，输出直流70V／3A的电源变换器DC／DC主电路原理图。主电路采用半桥LLC拓扑，控制电路采用LLC专用控制芯片L6599，考虑产品成本，谐振电感Lr采用变压器漏感，谐振电路参数：Lr=90μH，励磁电感Lm=700μH，K=Lm／Lr=7.8，谐振电容Cr=0.047 μF，谐振频率

最高开关频率为188 kHz(由控制芯片外围电路设定)，图2为由设计参数得出的LLC特性曲线。

3 实验
实际测试空载输出电压不能满足规格要求，空载输出电压达80 V(规格为70 V)以上，稳压精度远超出规格要求的3％，尝试下述解决方案：①假负载：经实验要加载到3 W以上才能使空载电压满足要求，对电源效率影响太大(额定状态下要求大于93％)；②空载工作在打嗝模式：可满足稳压精度要求，但输出纹波超过200 mV(实际要求小于150 mV)；③最高频率限制点放开：测试空载下工作频率为188 kHz，该频率已达L6599外围参数设置的最高频率，将最高频率限制点设置到更高频率并不能解决此问题。因为开关频率升高，输出电压将降低，尝试将最高频率设置为250 kHz，则空载输出电压略有降低(约为78 V)，改善不大。
变压器次级绕组端电压us波形如图3a所示。可见其呈现幅值较大的振荡，振荡幅值在80 V以上，这表明若输出空载，同时开关频率达到最高频率，输出电容电压必然会充高到80V以上，在不改变最高频率的情况下，若要输出电压不出现漂高，必须降低振荡电压的幅值，但将最高限制频率放开并不能解决此问题，原因为：由图2可知，空载下高频段特性曲线比较平坦，这与K较大有关，从效率方面考虑，为降低MOSF ET关断电流，取较大K值(7．8左右)，这使得开关频率变化范围宽且特性曲线较平坦，尤其在空载时，加上寄生参数的影响，空载下曲线有可能在高频段出现上翘，由实验结果可知，将最高限制频率放开不能解决此问题的原因就在于此。

下面分析引起次级绕组端电压大幅值振荡的原因。测试变压器初级绕组端电压up(图1中A，B间电压)如图3b中上半部分所示，无明显振荡。下面讨论谐振电感端电压是否有振荡。谐振电感利用变压器漏感，其端电压无法直接测试，测试谐振电感电流i波形如图3b中下半部分所示(i通过电流互感器测量，电压电流换算关系：i=0．15up)。可见iL振荡明显，可以推断谐振电感电压必定有相应振荡uLr=Lrdi／dt。经变压器传到次级导致空载输出电压漂高。
电感电压振荡的抑制首先考虑在回路中增加电容，为不影响谐振参数，将电容加在开关管两端且取值不能太大，尝试在V1两端并联一个330 pF的瓷片电容C1则i的波形如图3c中下半部分所示，电流波形振荡明显减小。这时us如图3c中上半部分所示，最高电压幅值仅为70 V，开关频率降至约120 kHz，这时振荡电压幅值即使比70 V略高，环路调节也会升高开关频率使输出电压达到稳定电压70 V。

4 结论
LLC空载输出电压漂高是常见现象，谐振电感电压波形振荡引起变压器次级电压振荡幅值过大、导致空载输出电压漂高是一种常见的原因，通过在半桥的一个MOSFET并联电容可以解决这一问题，方案经产品应用验证取得了良好的效果。