Sheng-Yang Yu

十多年來，電源供應器產業廣泛應用了如 圖 1 所示的電感器-電感器-電容器 (LLC) 串聯諧振轉換器 (LLC-SRC)，其帶有兩個諧振電感器 (兩個 "L"：L_m 和 L_r)，以及一個諧振電容器 (一個 "C"：C_r) 作為低成本、高效率的隔離功率級。LLC-SRC 具有軟開關性質，無需複雜的控制機制。其軟開關功能可使用額定電壓較低的元件，並且還提供高轉換器效率。與用於其他軟開關拓撲 (例如相位轉移全橋式轉換器) 的控制器相比，其簡單的控制方案 (具有固定 50% 工作週期的可變頻率調變) 所需的控制器成本更低。

圖 1 LLC-SRC

儘管 LLC-SRC 可以實現比硬開關返馳和順向轉換器高得多的效率，但如果要實現最佳效率，仍然存在一些設計挑戰。首先，在 LLC-SRC 設計中，兩個諧振電感器的比率 (L_m 對 L_r) 可能必須小於 10，才能達到足夠寬的可控範圍。同時，您需要在 L_m 上使用較大的電感來降低循環電流，這意味著您需要保持較大的 L_r 電感以保持較低的諧振電感器比率。

有趣的是，串聯諧振電感器 L_r 中的電流是完全交流電，沒有任何直流成分，這意味著磁通密度變化很大 (ΔB 很高)。高 ΔB 代表與交流相關的電感器損耗高。如果電感器纏繞在鐵氧體磁芯上，則磁芯氣隙附近的邊緣效應會導致較高的繞組損耗。

L_r 上的電感較大表示電感器上的匝數較多，交流繞組損耗較高。‌這就是為什麼許多 LLC-SRC 設計將鐵粉磁芯應用於諧振電感器，作為繞組損耗和磁芯損耗之間的取捨。然而，高 ΔB 會在諧振電感器上產生相當大的損耗，不是高繞組損耗就是高磁芯損耗。

LLC-SRC 設計中的第二個挑戰是如何最佳化同步整流器 (SR) 控制。‌LLC-SRC 整流器電流導通時序取決於負載條件和開關頻率。LLC-SRC SR 控制最前景看好的方法是感測 SR 場效電晶體 (FET) 汲極至源極電壓 (V_DS)，並在 V_DS 低於或高於特定位準時開啟和關閉。V_DS 感測方法需要毫伏級的準確度，因此只能在積體電路中實現。自我驅動或其他低成本 SR 控制方案不適用於 LLC-SRC，因為它們採用電流饋入電容負載輸出配置。因此，LLC-SRC SR 控制器電路的成本通常高於其他拓撲。

為了解決高電感器損耗和 SR 控制這兩項挑戰，同時仍能善用諧振轉換器可提供的多數優點，請考慮使用改進的 CLL 多諧振轉換器 (CLL-MRC)，如圖 2 所示。

圖 2 改進的 CLL-MRC

與所有三個諧振元件 (一個電容器和兩個電感器) 都位於輸入側的 CLL-MRC 不同，改進的 CLL-MRC 將一個電感器從輸入側移至輸出側，並將該電感器放置在整流器 – L_o 之後，如圖 2 中所示。此修改可允許諧振電感器上的直流電流含量，這意味著更小的 ΔB，以及可能更低的磁芯損耗。

圖 3 說明了改進的 CLL-MRC 如何運作，其中 f_sw 是轉換器的開關頻率，而 f_r1 = {2π[C_r (L_r1 //L_r2 )]^0.5 } ^-1 是兩個諧振頻率的其中之一。當 f_sw 低於 f_r1 時，輸出繞組電流在開關週期結束前降至零，就像 LLC-SRC 中的輸出繞組電流一樣。現在輸出端有了一個電感器。簡單的電容器和電阻器組可以感測輸出電感器電壓。‌每次發生大幅度的電壓變化 (dV/dt) 時，就是開啟或關閉 SR 的時機。因此，SR 控制方案的成本低於 V_DS 感測方案。

當 f_sw 高於 f_r1 時，輸出電感器電流以連續傳導模式工作。換句話說，ΔB 變得更小，電感器交流損耗可以小得多，且轉換器效率可能比 LLC-SRC 更高。

圖 3 改進的 CLL-MRC 主要波形：f_sw < f_r1 (左)；f_sw > f_r1 (右)

為了驗證這些性能假設，我建立了 LLC-SRC 和改進的 CLL-MRC 功率級，兩者使用完全相同的元件和參數。唯一的區別是將 72μH 電感器用作 LLC-SRC 諧振電感器，將 1μH 電感器用作改進的 CLL-MRC 輸出電感器。

圖 4 顯示兩個功率級的效率測量值。輸入電壓較低時，f_sw 小於 f_r1，因此改進後的 CLL-MRC 中的 L_o 電流仍處於不連續傳導模式，具有較大的 ΔB。因此，在這種操作條件下，改進後的 CLL-MRC 沒有效率優勢。

當輸入電壓變高時，f_SW 高於 f_r1，L_o 電流處於連續傳導模式。在 430V 輸入下，改進的 CLL-MRC 其效率比 LLC-SRC 高 1%。從這項比較可以看出，如果將改進後的 CLL-MRC 設計為始終在高於 f_r1 的頻率下工作，則其在整個範圍內的效率性能可能優於 LLC-SRC。

圖 4 不同輸入電壓位準的轉換器效率：改進的 CLL-MRC (上)；LLC-SRC (下)

‌LLC-SRC 確實是一種很好的拓撲結構，並提供了許多吸引人的功能。但視應用而定，它可能不是最佳解決方案。有時您必須跳出思維框架，才能以更低的電路成本實現更高的效率。

其他資源

• 閱讀德州儀器電源設計研討會上的這些論文：
  • 「設計 LLC 諧振半橋式電源轉換器」。
  • 「諧振轉換器拓撲調查」。
  • 「同步整流器的控制與設計挑戰」。
• 查看「400V DC 輸入轉 28V/9A 輸出、精巧型高效率 CLL 全橋式轉換器參考設計」。