源来如此 | 跳出 LLC 串联谐振转换器的思维定式

十几年来，电源行业广泛采用了图 1 中所示的电感器-电感器-电容器 (LLC) 串联谐振转换器 (LLC-SRC) 作为低成 本、高效率的隔离式功率级，其中包含两个谐振电感器（两个“L”：L _m 和 L _r ）和一个谐振电容器（一个“C”：C _r ）。LLC-SRC 器件具有软开关特性，没有复杂的控制方案。得益于软开关特性，该器件支持使用额定电压较低的元件，并可提高效率。该器件采用简单的控制方案，即具有 50% 固定占空比的变频调制方案，与相移全桥转换器等用于其他软开关拓扑的控制器相比，所需的控制器成本更低。

图 1. LLC-SRC

尽管 LLC-SRC 的效率可以比硬开关反激式和正激式转换器高很多，但如果要实现最佳的效率，仍然存在一些设计挑战。

首先，在 LLC-SRC 设计中，为了实现足够宽的可控范围，两个谐振电感器之比 (L _m /L _r ) 可能必须小于10。同时，需要 L _m 具有较大的电感，以便降低循环电流，因此需要保持高 L _r 电感以确保谐振电感比值低。

值得注意的是，串联谐振电感器 L _r 中的电流完全是交流电，没有任何直流分量，这意味着磁通密度变化很大（即 ΔB 很高）。 高 ΔB 意味着与交流相关的电感器损耗也很高。 如果电感器绕在铁氧体磁芯上，磁芯空气间隙附近的边缘效应会产生较高的绕组损耗。

L _r 电感高，则意味着电感器匝数较多、交流绕组损耗较大。因此，许多 LLC-SRC 设计都对谐振电感器采用铁粉磁芯，在绕组损耗和磁芯损耗之间进行权衡。然而， 高 ΔB 会在谐振电感器上产生相当大的损耗：高绕组损耗或高磁芯损耗。

LLC-SRC 设计的第二个挑战是如何合理优化同步整流器 (SR) 控制。 LLC-SRC 整流器电流传导时序取决于负载条件和开关频率。最有前景的 LLC-SRC SR 控制方法是检测 SR 场效应晶体管 (FET) 漏源电压 (VDS)，并在 VDS 低于或高于特定电平时开启和关闭 SR。VDS 检测方法需要毫伏级的精度，因此只能在集成电路中实现。自驱动或其他低成本 SR 控制方案不适用于 LLC-SRC，因为此类器件采用带电容负载的电流馈入型输出配置。 因此， LLC-SRC SR 控制器电路的成本通常高于其他拓扑的成本。

为了解决这两个挑战（高电感器损耗和 SR 控制），同时保持谐振转换器所能提供的大部分优势，请考虑使用改良版 CLL 多谐振转换器 (CLL-MRC)，如图 2 所示。

图 2. 改良版 CLL-MRC

与所有三个谐振元件（一个电容器和两个电感器）都位于输入侧的 CLL-MRC 不同，改良版 CLL-MRC 将一个电感器从输入侧移动到输出侧，并将电感器放置在整流器 L _o 之后，如图 2 所示。 这种修改允许谐振电感器上含有直流电流，这意味着 ΔB 更小，磁损耗也可能更低。

图 3 展示了改良版 CLL-MRC 的工作原理，其中 f _sw 是转换器开关频率，而 f _r1 = {2π[C _r (L _r1 //L _r2 )] ^0.5 } ^-1 是两个谐振频率的其中之一。当 f _sw 低于 f _r1 时，输出绕组电流在开关周期结束前下降到零，这一点与 LLC-SRC 中的输出绕组电流类似。现在，输出端有一个电感器。一组简单的电容器和电阻器即可检测输出电感器电压。每次出现较大的电压变化率 (dV/dt) 时，便是开启或关闭 SR 的时机。因此，SR 控制方案的成本低于 V _DS 检测方案。

当 f _sw 高于 f _r1 时，输出电感器电流会处于连续导通模式。换言之， 与 LLC-SRC 相比，ΔB 减小，电感器交流损耗可能大幅减小，转换器效率可能提高。

图 3. 改良版 CLL-MRC 的重要波形：

f _sw < f _r1 （左），f _sw > f _r1 （右）

为了验证这些性能假设，我构建了一个 LLC-SRC 和另一个具有完全相同元件和参数的改良版 CLL-MRC 功率级。 两者唯一的区别是 72μH 电感器用作 LLC-SRC 谐振电感器，1μH 电感器用作改良版 CLL-MRC 输出电感器。

图 4 显示了两个功率级的效率测量结果。当输入电压较低时，f _sw 小于 f _r1 ，因此改良版 CLL-MRC 中的 L _o 电流仍处于不连续导通模式，并具有较大的 ΔB。因此，在这种运行条件下，改良版 CLL-MRC 没有效率优势。

当输入电压升高时，f _sw 大于 f _r1 ，L _o 电流处于连续导通模式。使用 430V 输入时，改良版 CLL-MRC 的效率比 LLC-SRC 高 1%。 这一比较表明， 如果将改良版 CLL-MRC 设计为始终在高于 f _r1 的频率下运行，则其在整个范围内的效率性能可能优于 LLC-SRC。

图 4. 不同输入电压电平下的转换器效率：

改良版 CLL-MRC（顶部），LLC-SRC（底部）

LLC-SRC 确实是出色的拓扑，可提供许多吸引人的特性。但根据应用的不同，其可能并不是最佳解决方案。为了实现更高的效率和更低的电路成本，有时需要跳出思维定式。