LLC 拓?fù)鋺{借其全負(fù)載范圍原邊開關(guān)管的零電壓開通(ZVS)、副邊二極管或同步整流開關(guān)零電流關(guān)斷(ZCS)、EMI 特性好、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及成本較低等諸多優(yōu)異特性，在照明驅(qū)動(dòng)、電視電源、工業(yè)電源、服務(wù)器 / PC 電源、通信電源等消費(fèi)及工業(yè)領(lǐng)域的 DC - DC 級(jí)得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，LLC 拓?fù)湓谳p載及空載情況下，即便工作頻率范圍很寬，輸出電壓仍常常超出規(guī)格要求，這與基于基波近似法(FHA)計(jì)算得到的直流增益曲線理論不相符。因此，深入分析該問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并尋找有效的解決方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

LLC 輕載下輸出電壓異常現(xiàn)象

對(duì)于 LLC 拓?fù)?，依?jù)常用的基波近似法計(jì)算的直流增益曲線，在負(fù)載很輕甚至為零的情況下，只要工作頻率足夠高，輸出電壓應(yīng)能穩(wěn)定在規(guī)格要求范圍內(nèi)。但在眾多采用該拓?fù)涞漠a(chǎn)品中，普遍存在輕載下輸出電壓無(wú)法穩(wěn)定在規(guī)格要求內(nèi)，且往往高于規(guī)格上限的情況，即便 LLC 已工作在極高頻率。

在輕載及空載條件下，原邊 MOSFET 進(jìn)行開關(guān)切換過(guò)程中，激磁電感會(huì)與原邊 MOSFET 的輸出電容產(chǎn)生諧振，該諧振能量部分傳遞到副邊，致使輸出電壓升高。當(dāng) MOSFET 的輸出電容較小時(shí)，輕載下直流增益曲線出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，進(jìn)一步導(dǎo)致輸出電壓難以保持在規(guī)格要求范圍內(nèi)。

原因分析

3.1 變壓器原邊等效并聯(lián)電容

變壓器存在寄生電容，在輕載及空載時(shí)，其原邊等效并聯(lián)電容會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響。變壓器的寄生電容無(wú)法完全消除，它與電路中的其他元件相互作用，改變了電路的諧振特性，使得在高頻段直流增益曲線出現(xiàn)異常變化，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓超出規(guī)格范圍。例如，文獻(xiàn)中提到的 “分離式繞法” 和 “累進(jìn)式” 繞制方法雖能減小寄生電容，但會(huì)增加繞制復(fù)雜性和變壓器成本。

3.2 原邊 MOSFET 輸出電容

原邊 MOSFET 的輸出電容大小對(duì)輕載下的輸出特性影響顯著。輸出電容較小時(shí)，輕載時(shí)直流增益曲線會(huì)出現(xiàn)上翹。這是因?yàn)檩^小的輸出電容在與激磁電感諧振時(shí)，更容易將諧振能量傳遞到副邊，從而使輸出電壓升高且難以控制在規(guī)格范圍內(nèi)。相反，原邊 MOSFET 的輸出電容越大，相同工作頻率下直流增益曲線越低，輸出電壓相對(duì)更容易控制在規(guī)格范圍內(nèi)。

保持輸出電壓可控的解決方案

4.1 減小變壓器等效并聯(lián)電容

這是解決問(wèn)題的直接方案，但實(shí)施難度較大。雖然可采取措施盡量減小變壓器的寄生電容，如采用特殊繞制方法，但這些方法會(huì)使繞制復(fù)雜性增加，導(dǎo)致變壓器價(jià)格上升。

4.2 原邊 MOSFET 并聯(lián)電容

通過(guò)在原邊 MOSFET 上并聯(lián)電容來(lái)增大等效輸出電容，可有效控制輸出電壓。此方法操作簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是會(huì)增加 MOSFET 開關(guān)損耗，降低轉(zhuǎn)化效率，尤其在輕載時(shí)效率降低明顯。

4.3 諧振電感并聯(lián)電容

對(duì)于諧振電感為獨(dú)立電感的應(yīng)用，在諧振電感上并聯(lián)一個(gè)電容，可生成新的 LLC 諧振點(diǎn)。理論上，該多諧振 LLC 拓?fù)湓谌魏呜?fù)載下輸出電壓都可低至零。設(shè)計(jì)時(shí)需合理選擇并聯(lián)電容值，確保 LLC 的最高工作頻率不超過(guò)新諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率。

4.4 增加變壓器原副邊匝比

通過(guò)增加變壓器原副邊匝比(多數(shù)通過(guò)增加原邊繞組匝數(shù))，使 LLC 拓?fù)湓谳p載情況下工作于諧振點(diǎn)附近，可忽略寄生參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響，從而更易將輕載下輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)格范圍內(nèi)。但設(shè)計(jì)時(shí)需確保滿載及過(guò)流保護(hù)前等情況下直流增益峰值足夠高，以保證這些情況下輸出電壓的穩(wěn)定。

4.5 變換器工作于打嗝模式

讓 LLC 拓?fù)湓谳p載情況下進(jìn)入打嗝(burst)模式，既能保持輸出電壓在規(guī)格范圍內(nèi)，又可減小輕載下的輸入功率，提高輕載效率。然而，該模式會(huì)使輸出電壓紋波變大，在一些對(duì)電壓紋波要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景中(如服務(wù)器電源、PC 電源等)無(wú)法適用。

4.6 減小副邊二極管 / 同步整流管寄生電容

由于變壓器原邊等效并聯(lián)電容部分來(lái)源于副邊二極管或同步整流管的等效輸出電容，因此選擇輸出電容較小的二極管或者 MOSFET 有助于穩(wěn)定輸出電壓。文獻(xiàn)中還提出在輸出二極管或同步整流管上并聯(lián)特定電路，將部分能量反饋到原邊側(cè)，以維持輕載及空載下輸出電壓的穩(wěn)定。

4.7 輕載下關(guān)閉同步整流管

對(duì)于副邊為同步整流的設(shè)計(jì)，在輕載時(shí)關(guān)閉同步整流的驅(qū)動(dòng)可有助于保持輸出電壓穩(wěn)定。但關(guān)閉同步整流驅(qū)動(dòng)后，負(fù)載突然加重時(shí)，由于體二極管與同步整流導(dǎo)通時(shí)的壓降差異，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)中需綜合考慮該措施的可行性。

結(jié)論

LLC 拓?fù)湓谳p載及空載情況下輸出電壓超出規(guī)格要求的現(xiàn)象，主要由變壓器原邊等效并聯(lián)電容和原邊 MOSFET 輸出電容導(dǎo)致。通過(guò)對(duì)這些原因的深入分析，本文提出了多種可行的解決方案，包括減小等效電容、原邊 MOSFET 并聯(lián)電容、諧振電感并聯(lián)電容、增加變壓器原副邊匝比、工作于打嗝模式、減小副邊二極管 / 同步整流管寄生電容以及輕載下關(guān)閉同步整流管等。這些方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，電源開發(fā)工程師可根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和性能要求，選擇合適的解決方案來(lái)解決 LLC 拓?fù)漭p載下輸出電壓偏高的問(wèn)題，確保 LLC 拓?fù)湓诟鞣N工況下都能穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。