LLC 谐振转换器在轻载条件下增益失真的考虑事项

近来，尽管LLC谐振转换器设计颇为复杂，但由于具有某些出色的优势而得到很多关注。比如，可通过零电压开关(ZVS)实现高效率，在所有负载条件下工作频率变化范围很窄。LLC谐振转换器广泛用于家电、街灯充电器及其他各种电气设备。大家知道，LLC谐振转换器通过改变工作频率来调节输出电压。一般而言，电压转换比，也就是ZVS工作区域中的增益值，理论上随工作频率的增加而减小。但实际上，在轻载条件下，工作频率提高时，增益值也可能增大，而不是像理想增益曲线那样减小。这种增益失真主要是由高频变压器上分布的寄生元素亦即谐振电感和杂散电容造成的。为了避免轻载条件下这种有害的输出电压增加现象，在设计阶段必须考虑到这些寄生元素。

本文将详细讨论寄生元素造成增益曲线失真的原因，并给出相应的解决方案。

LLC谐振转换器的工作原理
图1所示为LLC谐振转换器的基本电路。LLC谐振转换器一般包含一个带MOSFET的控制器、一个谐振网络和一个整流网络。其中，控制器以50%的占空比交替为两个MOSFET提供栅极信号，并随负载变化改变工作频率，调节输出电压Vout，这被称为脉冲频率调制 (PFM)。谐振网络由两个谐振电感和一个谐振电容组成(L-L-C)。谐振电感Lr、Lm，以及电容Cr，主要相当于一个分压器，其阻抗随工作频率的变化而变化，以获得需要的输出电压，见式1。在实际设计中，谐振网络可由一个采用如图2所示的通用绕丝管(bobbin)或分段式绕丝管的高频变压器的磁化电感Lm和漏电感Llk构成。由整流网络对谐振网络产生的正弦波进行整流，然后提供给输出级。

图1 LLC谐振转换器的基本电路

(1)
式中，Vd是输入电压，Rac是负载电阻。

图2 带通用绕丝管的高频电感和变压器(a)和带分段式绕丝管的集成变压器(b)

虽然输入电压Vd实际上是由两个MOSFET控制的方波，但根据基波近似原理，仍可将之视为正弦波。利用这种近似，电压转换比可表示为式2。
(2)
式中，，，，，而Rac与Vd可分别表示为与Vin/2。

在式2中可观察到两个谐振频率，一个是由(Lm+Lr)和Cr决定的ωp，另一个是由Lr和Cr决定的ωr。利用该式，可获得转换器的电压转换比与频率变化及负载的关系图，亦即增益特性曲线，如图3所示。

图3 LLC谐振转换器的电压转换比与工作频率和负载变化的关系