LLC转换器设计中的電(diàn)感器和变压器选择

2021-05-21

LLC转换器设计中的電(diàn)感器和变压器选择

所有(yǒu)電(diàn)子产品都需要電(diàn)源和功率调节，无论它们是大型工业系统还是小(xiǎo)型可(kě)穿戴设备。如果您正在设计汽車(chē)電(diàn)源管理(lǐ)单元，家用(yòng)電(diàn)器或工业電(diàn)源系统的電(diàn)源转换器，则可(kě)能(néng)会使用(yòng)LLC转换器设计进行DC-DC转换和调节。这种拓扑结构通过简单的调节方案即可(kě)提供高功率转换效率，但这全都取决于选择正确的组件。

LLC转换器设计中至关重要的两个主要组件是電(diàn)感器和变压器。这两个组件控制功率转换，并共同确定转换器级初级侧的谐振行為(wèi)。与PFC電(diàn)路和控制回路一起设计时，您将拥有(yǒu)适用(yòng)于各种应用(yòng)的高效功率转换器。

LLC转换器设计的组件

LLC谐振转换器是一种开关DC-DC转换器，其中通过使用(yòng)功率MOSFET调节半桥或全桥電(diàn)路的驱动频率来控制输出電(diàn)压。桥接電(diàn)路的输出電(diàn)流流入与变压器串联的谐振LC谐振回路中。然后，变压器将脉冲電(diàn)压升压或降压到次级侧。

转换器的次级侧包含一个桥式整流器電(diàn)路（由二极管或MOSFET构建），该電(diàn)路可(kě)将输出電(diàn)压/電(diàn)流整流至稳定的直流電(diàn)平。電(diàn)容器组进一步稳定了输出電(diàn)压，并将纹波减小(xiǎo)至低噪声DC值。这些转换器具有(yǒu)复杂的拓扑，但是控制方法非常简单，并且转换器中所需的功能(néng)块可(kě)以由一系列可(kě)商(shāng)購(gòu)的组件来构建。LLC转换器设计的基本拓扑如下所示。

半桥LLC转换器设计的拓扑。

与其他(tā)需要更改PWM信号的占空比以控制输出電(diàn)压的开关转换器不同，LLC转换器需要更改频率（脉冲频率调制或PFM）以将输出電(diàn)压设置為(wèi)所需值。上述半桥LLC转换器设计中的晶體(tǐ)管Q1和Q2异相切换180度。当高端晶體(tǐ)管导通时，電(diàn)流流向電(diàn)容器Cr并对其充電(diàn)。一旦Q1关闭并且Q2开启，Cr就会放電(diàn)。两个周期在次级侧感应出一个電(diàn)流，然后将其整流為(wèi)直流電(diàn)压。然后，输出侧的電(diàn)容器组会将输出電(diàn)压平滑至稳定值。

通过利用(yòng)谐振回路部分(fēn)（上图中的LLC電(diàn)路）中的增益，可(kě)以将初级侧的電(diàn)压调整并保持在所需值。通过反馈环路测得的電(diàn)压用(yòng)于调节来自栅极驱动器電(diàn)路的PFM信号，该電(diàn)路利用(yòng)或多(duō)或少地利用(yòng)了初级侧LLC网络的增益。这是变压器和電(diàn)感器变得至关重要的地方，需要对其进行选择以提供正确的增益范围。

電(diàn)感和变压器选择标准

電(diàn)感器和变压器需要满足特定的条件才能(néng)在LLC转换器设计中正常运行：

線(xiàn)圈電(diàn)感值： LLC转换器级中两个線(xiàn)圈的電(diàn)感值取决于電(diàn)容器Cr的值。典型的電(diàn)容值為(wèi)Cr〜100 nF至1 uF，因此，在100 kHz（典型的栅极驱动器频率）附近工作时，初级侧電(diàn)感（Lr）為(wèi)〜0.1 mH。变压器初级侧線(xiàn)圈的電(diàn)感（Lm）通常约為(wèi)Lr值的5-10％。 

線(xiàn)圈電(diàn)阻和额定電(diàn)流：导體(tǐ)的電(diàn)阻会影响变压器/電(diàn)感器中的额定電(diàn)流。理(lǐ)想情况下，線(xiàn)圈電(diàn)阻应尽可(kě)能(néng)低，以减少热量的产生。 

绕组電(diàn)容。这种寄生效应将决定噪声的敏感性，如果转换器為(wèi)其他(tā)高速数字電(diàn)路模块供電(diàn)，这一点就变得很(hěn)重要。物(wù)理(lǐ)上较小(xiǎo)的電(diàn)感器和变压器将具有(yǒu)较大的绕组電(diàn)容。 

其他(tā)初级或次级侧線(xiàn)圈：变压器在初级侧可(kě)能(néng)具有(yǒu)多(duō)个線(xiàn)圈，以将電(diàn)压降低至〜5 V或〜3.3 V，以為(wèi)反馈环路中的外围设备和系统中的其他(tā)组件供電(diàn)。 

占用(yòng)空间：专為(wèi)高功率工作而设计的LLC转换器将具有(yǒu)庞大的组件。在约1 kW的转换器中，足迹的尺寸可(kě)能(néng)约為(wèi)5-10厘米。 

Bourns的2300HT系列功率電(diàn)感器是高功率LLC转换器设计中常见的一个示例電(diàn)感器。这些電(diàn)感器占地面积小(xiǎo)（最大直径為(wèi)1.28英寸），可(kě)承受2.9至38.7 A的電(diàn)流。它们专门设计用(yòng)于承受极端环境下大功率转换器中可(kě)能(néng)出现的高温，额定工作温度為(wèi)-55至+200°C。它们还具有(yǒu)垂直或水平安装样式，如果需要，可(kě)為(wèi)设计人员提供低调的选择。

2300HT系列電(diàn)感图片和机械图纸。

脉冲变压器系列是用(yòng)于高功率LLC转换器设计的一种选择。这些变压器可(kě)提供中等功率系统所需的低電(diàn)感和高额定電(diàn)流。它们还具有(yǒu)一定范围的端子，用(yòng)于在相对较小(xiǎo)的封装中选择输出電(diàn)压/電(diàn)流值。 

750311591脉冲变压器的足迹数据示例。

LLC谐振转换器设计的其他(tā)组件

通过组合变压器的線(xiàn)圈電(diàn)感和初级電(diàn)感值，您可(kě)以选择LLC转换器设计中的可(kě)用(yòng)频率范围。其他(tā)一些组件将需要出现在上述LLC谐振级的反馈环路中，以及PFC電(diàn)路中使用(yòng)的反馈和控制环路中。其中一些组件包括：

精密感测放大器，用(yòng)于電(diàn)压/電(diàn)流测量

電(diàn)感和共模扼流圈

低压稳压器，用(yòng)于為(wèi)外围设备供電(diàn)