LLC輕載下輸出特性分析及保持輸出電壓可控的解決方案

摘要

LLC拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于各種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，然而LLC拓?fù)湓谳p載及空載情況下，即使工作頻率范圍很寬，往往仍然出現(xiàn)輸出電壓超出規(guī)格要求的現(xiàn)象。本文從理論上對引起該問題的原因進(jìn)行了深入分析，證明變壓器原邊等效并聯(lián)電容和原邊MOSFET的輸出電容時造成該問題的根本原因，并針對根因提出了減小等效電容，原邊MOSFET并聯(lián)電容，諧振電感并聯(lián)電容，增加變壓器原副邊匝比，變換器工作于打嗝模式等措施來應(yīng)對該問題。

引言

圖1.半橋LLC拓?fù)?/span>

對于LLC拓?fù)洌鶕?jù)目前最為常用的基波近似法（FirstHarmonicApproximation,FHA，F(xiàn)undamentalElementSimplification,FES)計算得到的直流增益曲線，即使負(fù)載很輕甚至負(fù)載為零，只要工作頻率足夠高那么輸出電壓電壓一定是可控的，即可以穩(wěn)定在規(guī)格要求范圍內(nèi)。然而，在大量采用該拓?fù)涞漠a(chǎn)品中都可以發(fā)現(xiàn)：在輕載下輸出電壓無法穩(wěn)定在規(guī)格要求范圍內(nèi)即往往高于規(guī)格的要求，即使LLC已經(jīng)工作于非常非常高的頻率。這與目前的理論分析是不相符的。因此有必要在輕載及空載條件下對直流增益曲線進(jìn)行重新分析與計算，從中找到影響直流增益的因素，從而找到解決問題的方案。

2、變壓器原邊等效并聯(lián)寄生電容

對直流增益曲線的影響

圖2.考慮副邊寄生電容后的變壓器模型

C_pw，C_sw，C_soss分別為變壓器原邊繞組分布電容，變壓器副邊繞組分布電容及輸出整流二極管或同步整流管的等效輸出電容，N_ps為變壓器原副邊的匝比。

其中：

圖5.考慮變壓器寄生電容后的直流增益曲線

而相同條件下不考慮寄生電容的增益曲線族如圖6所示。

從圖5和圖6的對比可以得到，由于變壓器原邊繞組等效寄生電容的存在，增益曲線在高頻出現(xiàn)另一個電感電容并聯(lián)諧振點，導(dǎo)致增益曲線在輕載情況下隨頻率升高而增益變高，且負(fù)載越輕，該現(xiàn)象越明顯。這將導(dǎo)致輕載情況下輸出電壓無法穩(wěn)定。相同負(fù)載（以10%負(fù)載為例）不同原邊寄生電容（500pF~50pF）下的增益曲線如圖7所示。從圖中可知，寄生電容越大，諧振點越低，對LLC增益曲線的影響越大，只有在寄生電容小于50pF情況下，其對增益曲線的影響可以忽略不計。

3、原邊MOSFET等效輸出電容對直流增益曲線的影響

圖8.不同原邊MOSFET輸出電容對輕載直流增益曲線的影響

當(dāng)MOSFET的輸出電容較小時，輕載下直流增益曲線出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，使得輸出電壓無法保持在規(guī)格要求范圍內(nèi)。

4.1減小變壓器等效并聯(lián)電容

4.2、LLC工作于打嗝模式

在輕載情況下LLC拓?fù)溥M(jìn)入打嗝（burst）模式是較多采用的一種控制策略，該策略一方面可以保持輸出電壓在規(guī)格范圍內(nèi)，另一方面減小了輕載下的輸入功率，提高了輕載下的效率。圖9為典型的打嗝模式下的關(guān)鍵波形[5]。然而打嗝模式會帶來輸出電壓紋波變大，這在一些應(yīng)用，例如服務(wù)器電源，PC電源等是無法接受的。

4.3、諧振電感并聯(lián)電容

新的增益曲線如圖11所示：

圖11.多諧振LLC變換器直流增益曲線

由于增益曲線在fw=f₀₂時為零，因此理論上該多諧振LLC拓?fù)湓谌魏呜?fù)載下輸出電壓都可以低至零。設(shè)計中需要選擇合適的C_p，確保LLC的最高工作頻率不超過f₀₂。

4.4、原邊MOSFET并聯(lián)電容

4.5、增加變壓器原副邊匝比

4.6、減小副邊二極管/同步整流管寄生電容

根據(jù)第2部分的分析，變壓器原邊等效并聯(lián)電容有一部分為副邊二極管或同步整流管的等效輸出電容，因此選擇較小輸出電容的二極管或者M(jìn)OSFET將有助于穩(wěn)定輸出電壓。文獻(xiàn)[8]提出了在輸出二極管或同步整流管上并聯(lián)一個MOSFET與二極管串聯(lián)的電路，該電路將部分能量反饋到原邊側(cè)，從而在輕載及空載下維持了輸出電壓的穩(wěn)定。

4.7、輕載下關(guān)閉同步整流管

                 
總結(jié)

本文對LLC拓?fù)湓谳p載及空載情況下輸出電壓超出規(guī)格要求的現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析，證明變壓器原邊等效并聯(lián)電容和原邊MOSFET輸出電容的存在產(chǎn)生出了該問題。相應(yīng)地，本文提出了多種可行的解決方案，來實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。本文將對電源開發(fā)工程師解決LLC拓?fù)漭p載下的輸出電壓偏高問題提供有益的參考。

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