半橋串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn) 100 W 以上轉(zhuǎn)換器的高效率和高功率密度。最常見的諧振拓?fù)?圖 1)是由串聯(lián)磁化電感器組成的諧振回路;諧振電感;和一個(gè)電容器(縮寫為 LLC)。參數(shù)值的選擇決定了諧振回路增益曲線的形狀，這會影響諧振轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中的性能。

圖 1具有分離諧振電容器的半橋 LLC 功率級，參數(shù)值的選擇決定了諧振回路增益曲線的形狀，需要在向電路施加能量之前對其進(jìn)行驗(yàn)證。

一旦確定了一組參數(shù)并選擇了組件，在向電路施加能量之前驗(yàn)證增益曲線非常重要。在本功率技巧中，我將描述一種測量諧振回路增益曲線的技術(shù)以及如何解釋結(jié)果，包括顯示該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性的示例。

頻率響應(yīng)分析儀向任何電路注入一個(gè)小的交流信號，然后測量系統(tǒng)中兩個(gè)點(diǎn)的電壓，以確定確定頻率范圍內(nèi)的信號增益和相位延遲。雖然該設(shè)備最常用于測試控制環(huán)路，但您也可以使用頻率響應(yīng)分析儀來測量 LLC 轉(zhuǎn)換器功率級的增益。圖 2顯示了此類測量的接線圖。

圖 2將諧振回路連接到頻率響應(yīng)分析儀以重新創(chuàng)建增益曲線圖的接線圖。功率級的增益圖可以通過顯示通道 2 電壓除以通道 1 電壓的幅值來獲得。

半橋 LLC 有一對諧振電容器，其中一個(gè)連接到輸入電壓，另一個(gè)連接到初級接地。要在此電路中進(jìn)行測試，諧振電容器必須彼此并聯(lián)并與初級繞組串聯(lián)。分析儀的注入信號和通道 1 測量通過初級側(cè)組件從半橋的開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到諧振電容器的另一端。分析儀的次級通道(通道 2)跨接在次級繞組上，并添加了一個(gè)電阻來近似負(fù)載條件。掃描注入交流信號的頻率后，您可以通過顯示通道 2 電壓除以通道 1 電壓的幅值來繪制功率級增益。圖3顯示測試結(jié)果示例。

圖 3可從圖 2 所示的測試設(shè)置中觀察到的 LLC 諧振回路增益曲線測量示例。

您可以根據(jù)變壓器匝數(shù)比以及功率級初級側(cè)和次級側(cè)的開關(guān)和繞組的配置，將功率級增益轉(zhuǎn)換為電壓增益。半橋 LLC 功率級通常帶有中心抽頭次級繞組和兩個(gè)輸出整流器。在此示例中，輸出電壓大約是輸入電壓、匝數(shù)比和諧振回路在工作頻率下的增益的乘積。圖 4中繪制的次級配置的其他選項(xiàng)使諧振回路能夠轉(zhuǎn)換為更高的輸出電壓。請注意，如果初級側(cè)配置有全橋，則需要將這些比率乘以兩倍。

圖 4在次級側(cè)配置全波整流器，使傳輸能量加倍 (a);雙端次級配置可實(shí)現(xiàn)四倍電壓增益 (b)。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是您可以直接在 PCB 上進(jìn)行測量，并在測試結(jié)果中考慮功率級寄生元件。 使用替代模型來解釋變壓器的構(gòu)造如何在電路中引入額外的電感(圖 5)。您可以圍繞這些固有的寄生組件進(jìn)行設(shè)計(jì)或?qū)⑺鼈兗傻侥脑O(shè)計(jì)中。例如，您可以使用漏電感作為諧振電感器，通過從設(shè)計(jì)中移除物理組件來節(jié)省成本并提高效率。通過使用這種快速測試，可以簡化諧振回路設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

圖 5使用漏電感作為 LLC 轉(zhuǎn)換器的諧振元件的變壓器模型，允許設(shè)計(jì)人員圍繞固有寄生組件進(jìn)行設(shè)計(jì)或?qū)⑵浼傻皆O(shè)計(jì)中。

在次級使用同步整流器將進(jìn)一步提高 LLC 轉(zhuǎn)換器的效率。這樣做會降低傳導(dǎo)損耗，而傳導(dǎo)損耗往往主導(dǎo)該元件的總損耗特性;然而，MOSFET 的選擇可以改變增益曲線的形狀。較低電阻的 MOSFET 將具有較大的輸出電容。變壓器的匝數(shù)比可以放大該電容，這在某些情況下可能成為一個(gè)問題。正如我所提到的，測試電路中的增益曲線有助于考慮整個(gè)功率級中的額外寄生元件。圖 6突出顯示了 MOSFET 輸出電容的影響，這些影響在初始諧振回路設(shè)計(jì)中可能被忽視。

圖 6在此設(shè)計(jì)中，寄生電容在 300 kHz 左右增加了諧振，而這在設(shè)計(jì)階段是不應(yīng)該出現(xiàn)的。

然而，使用頻率響應(yīng)分析儀無法考慮所有設(shè)計(jì)寄生元件。例如，測量不會顯示彼此耦合不良的次級繞組對中心抽頭結(jié)構(gòu)的影響。初級和次級繞組之間的松散耦合會形成漏感，這在一定程度上有利于 LLC 設(shè)計(jì)。然而，彼此耦合不良的次級繞組會降低功率級的性能。在交流分析中不可能觀察到這種影響，但在監(jiān)測次級繞組電壓時(shí)會很明顯。

例如，圖 7中的設(shè)計(jì)具有正確的增益曲線。但是，當(dāng)觀察次級繞組上的電壓時(shí)，該電平開始時(shí)較高，然后下降至低于輸出電壓的電平。理想情況下，這些電壓波形應(yīng)該看起來更像方波。松散耦合還會在次級整流器關(guān)斷邊緣產(chǎn)生較大的漏電尖峰。隨著負(fù)載的增加，彼此松散耦合的次級線圈的失真效應(yīng)變得更加明顯，并限制了可能的輸出。力量。

圖 7變壓器設(shè)計(jì)中的松散耦合在開關(guān)波形中很明顯，但在增益曲線中并不明顯。

即使在重新配置該變壓器設(shè)計(jì)以使次級繞組更好地相互耦合之后，產(chǎn)生的諧振電感和磁化電感仍然相同。正如預(yù)期的那樣，增益曲線測量結(jié)果沒有視覺差異。但圖 8中的開關(guān)波形說明了新設(shè)計(jì)的顯著改進(jìn)。

圖 8改進(jìn)的變壓器設(shè)計(jì)具有更好的耦合，可減輕電壓降，同時(shí)保持增益曲線形狀。

重新配置次級繞組后，開關(guān)波形看起來更接近預(yù)期;波形更加方形，阻斷電壓等于輸出電壓。關(guān)斷邊緣的泄漏尖峰也被消除。

這兩種變壓器的設(shè)計(jì)實(shí)際上是相同的，不需要額外的組件。然而，這些變化對整體效率產(chǎn)生了很大影響。

設(shè)計(jì)諧振轉(zhuǎn)換器時(shí)，請通過驗(yàn)證諧振回路的增益曲線來開始評估。雖然它無法檢測到所有故障，但您將深入了解可實(shí)現(xiàn)的增益以及預(yù)期的工作頻率范圍。