LLC谐振半桥的主电路设计指导.doc

LLC谐振半桥的主电路设计指导
LLC谐振半桥的主电路设计指导
LLC谐振半桥的主电路设计指导
LLC谐振半桥的主电路设计指导

近年来，LLC谐振半桥因为成本低、效率高而且结构简单，获得了电源工程师的广泛认可，从而迅速在中低功率(100W—2000W）范围内得到了广泛应用。
关于LLC谐振半桥的理论分析,各类论文已经介绍的比较详细，因此在这里不再赘述，仅仅把主电路参数的设计过程，以及设计中用到的主要公式分列如下.
所需的初始设计条件
LLC变换器仅适用于输入电压波动范围比较窄的高压直流输入场合，因此前级一般有PFC级，且LLC电路不适合用于需要长保持时间的场合.设计时,所需的初始限定条件主要是：
输入额定直流电压、最低工作直流电压、最高直流输入电压；
额定输出电压、额定输出电流；
预期的谐振频率；
输出线路压降(含二极管压降、PCB走线以及电缆压降）；
K值（K值的大小将影响到工作频率范围，并对效率略有影响。一般取4—7之间）；
变压器磁芯截面积与工作磁感应强度,变压器原边匝数，副边匝数；
二、设计计算过程
计算变比
一般来说，为了使电源达到比较高的变换效率，我们会把满载工作点设置在谐振频率位置，或略有轻微调整。根据LLC变换器的原理,在谐振频率处，电源的传输比=1。
因此,，据此计算出
计算额定负载电阻，以及折射到原边的负载电阻
，
计算最高输入电压和最低输入电压时的增益
,
计算临界Q值，一般在计算值的基础上取0.90~0。95倍的裕量，以保证不进入ZCS区.
一般取
计算最低工作频率和最高工作频率，分别对应低压输入和高压输入
，
计算谐振电感感量Lr，以及谐振电容Cr,和主变压器原边感量Lm
，,。计算时需要注意,谐振电容Cr的容量是一个标准序列，一般有：8.2nF、12nF、15nF、22nF、33nF、39nF、47nF，而Lr、Lm是可定制的。因此我们一般会通过微调谐振频率和K值,得到一个精准的Cr，以避免非标准序列的Cr带来的不必要的麻烦.
计算谐振电感的电流峰值Im

计算额定输入电压、满载输出条件下的原边绕组电流有效值，和原边绕组电流峰值，以及每个开关管的电流有效值
，，
计算副边每个绕组的电流有效值，
，
计算副边整流管的应力平台电压，与二极管电流平均值
,
计算谐振电容电压有效值、电流有效值
最高输入电压，满载条件下，谐振电容电压有效值为：
，电流有效值
计算输出滤波电容上的纹波电流有效值

一般取实际匝比略大于计算值，使半载以上工作在f〈fr。可以取实际匝比为：

计算原边匝数最小值,从而选定副边匝数。一般需要微调Np的值，以便使Ns接近整数，使得原副边匝比最接近理论计算值。
，
三、设计注意事项
关于K值的选择
K值，即变压器励磁电感Lm与谐振电感Lr的比值，直接决定了从轻载到满载的频率变化比值,即。K值越大，频率变化范围越大，但是励磁电流峰值将降低，从而减少了满载下励磁电流在开关管上形成的导通损耗。但是,频率变化范围太宽的话，也将导致反馈环稳定性设计难度增大。
因此一般来说，取K值在4到7之间,这样的话可以均衡稳定性与效率。
也有人介绍取K值在2。5~8之间,但是K值大于7以后,实际上对满载效率的影响已经微乎其微了，因此建议K值不大于7，以便降低调试工作量。
关于磁集成
LLC变压器和谐振电感可以采用磁集成的方式来降低成本，并减小体积。
但是，磁集成方式下，变压器的温升一般明显升高，测试的时候需要注意检验是否满足温度降额。
另外,磁集成方式下，根据经验，当变压器距离金属机箱壁太近的话（小于5mm）,将会在机箱壁上形成明显的涡流，导致额外的发热，铁或钢质机箱尤为明显.根据经验，曾经在400W电源上测到过损耗增大5W.分立的主变和谐振电感则无该现象。
关于Bmax值的取值范围
一般来说,对于自然冷，取Bmax小一些，建议不超过0.22。而对于风冷电源,由于磁芯散热条件得到改善,可以取Bmax略大一些，建议不超过0。28。
关于成本分析与拓扑选型
在大约100W以下的范围内，由于反激变换器的成本更低，因此一般不考虑采用LLC变换器。
在大约100W-500W的范围内，各种变换器的相对成本依次是:反激变换器<LLC变换器〈单管整机RCD〈而双管正激,一般建议用LLC.
在500W-1500W范围内,属于LLC、双管正激、半桥、全桥、移相全桥的重叠范围，LLC和移相全桥具有最高的效率，两者都是可选的.但是由于移相全桥的输出纹波电流比较小，因此在低压大电流场合可能更合适一些。且移相全桥属于定频控制，环路稳定性的调试难度较低。而LLC在这种场合下由于输出纹波固定等于总输出电流的48％，输出电容选型会难度大一些。
对于更大的功率，一般可以考虑采用移相全桥或三电平等其他拓扑，在此不作赘述。
附录一、计算案例:AS0