降低高頻LLC變換器輕載損耗的方法分析

曹彥哲，張 路，劉耿博

(西安麥格米特電氣有限公司，西安 710075)

1 LLC變換器運作原理

傳統(tǒng)變換器若要達到高頻化是較為困難的。若變換器的開關頻率提升，開關損耗自然也會增多。但是LLC變換器則有效解決了該問題。當變換器諧振時，電壓周期或電流會超過零點，從而實現(xiàn)高頻化。LLC變換器工作原理是，諧振槽路電流比并聯(lián)諧振電感電流要大時，電流能量會由變壓器原邊傳到副邊。諧振電容和諧振電感共同諧振時，諧振頻率會是串聯(lián)諧振。而如果諧振槽路電流和并聯(lián)諧振電感電流一樣，變壓器原副邊就沒有能量傳遞。這個時候的諧振頻率是串并聯(lián)諧振頻率。因為LLC諧振變換器能夠實現(xiàn)軟開關，結構較為簡單，故在高頻場合廣泛應用。

2 高頻LLC變換器輕載損耗分析

2.1 磁性元件損耗分析

LLC諧振變換器的損耗中，變壓器損耗占比較高。這是因為變壓器運作效率會對變換器整體效率造成影響。目前來看，變壓器損耗分為銅繞組損耗和鐵芯損耗兩種。而在磁性元器件磁化時耗掉的能量屬于鐵芯損耗，鐵芯損耗又分成渦流損耗和磁滯損耗。若要減少渦流損耗，可采取三種方法，即降低感應電勢、擴大渦流流經路徑和提升鐵芯電阻率。若要減少磁滯損耗，應對鐵芯工作磁通密度縮減。

2.1.1 串聯(lián)諧振電感損耗

LLC諧振變換器內，平面變壓器內部結構比較緊密，故漏感值比較小，達不到諧振需要，故要多增加串聯(lián)諧振電感。而諧振電感的損耗來自導體銅損和鐵芯損耗。導體銅損的公式是：PCu_Lr=Ip_rms2=RLr_ac。RLr_ac是電感交流等效電阻。鐵芯損耗的公式是：PFe_Lr=PVVLr。其中，PV是鐵芯單位體積損耗，VLr是鐵芯體積。那么串聯(lián)諧振電感總損耗是PLr=PFe_Lr+PCu_Lr。

2.1.2 平面變壓器損耗

2.2 開關元件損耗

開關元件損耗有關斷損耗和導通損耗兩種。變換器滿載的狀態(tài)下，關斷損耗要小于導通損耗。若是輕載情況，MOSFET主要損耗便是關斷損耗。關斷損耗的影響因素是關斷速度和關斷電流。在對LLC工作原理做分析時得出，關斷瞬間電流是勵磁電流，受到輸出電壓、工作頻率的影響。在輕載情況下，變壓器勵磁電感和關斷損耗是反比關系。而開關網絡的MOSFET，那么損耗是Pmos=Pon+4Poff。導通損耗的計算則是Pon=(LLm_rms+Ir)22Rdson。在整個公式中，ILm_rms為勵磁電流值，Ir是傳輸次級電流，Rdson是MOSFET導通阻抗。在輕載狀態(tài)下，變壓器勵磁電感和關斷損耗是反比。另外，不一樣的MOSFET元器件和驅動也會有一定的影響。如今，開關管的MOSFET損耗用公式表示是Pmos=Pon+4Poff。

2.3 整流二極管損耗

空載情況下，次級并無電流流過，不需要對整流二極管損耗進行考慮。但如果是輕載情況，就算次級電流數(shù)值小，損耗仍在初級側，故不能忽略整流二極管損耗。

3 高頻LLC變換器輕載損耗的優(yōu)化方式

3.1 采取間歇模式控制策略

因變換器在輕載狀態(tài)下運作會較為復雜，工作頻率必然會進入高頻段。這樣會使得損耗提升。而采取間歇模式則可降低輕載損耗。間歇模式LLC諧振變換器的運作可根據(jù)不同的工作狀態(tài)分成不同階段。第一階段是t0時刻前，這個時候的驅動信號是關閉的，諧振槽能量耗盡；第二階段是t0—t1，這個時候驅動信號已經恢復。諧振槽準備工作，變壓器兩端電壓和電路上升。諧振槽有諧振能量，以此確保接下來的能量傳輸；第三階段是t1—t2，因為輸出電壓提升，諧振槽路電流在開關周期上逐漸變小。等到t2時候，驅動信號再次關閉；第四階段是t2—t3，t3時的勵磁電流和諧振電流是一樣的。變壓器兩端電壓會下降，整流二極管不會存在能量傳輸次級。由此可見，傳統(tǒng)間歇控制模式對輕載輸出電壓的控制力度較高。但為了保障變換器有非常高的效率，也可用實際測試的方式讓工作點的效率更高。最優(yōu)工作點應當在50%負載狀態(tài)。

在對間歇頻率確定以后，控制器能用采樣負載端電流實現(xiàn)間歇占空比。如圖1所示。

圖1 間歇控制模式控制框圖

這一控制模式是將基準電壓和輸出電壓的對比數(shù)值輸入到壓控振蕩器之內，再運用工作頻率的計算來對輸出電壓進行調節(jié)。用此類間歇控制，會讓變換器運作狀態(tài)更穩(wěn)定，也能更好地對輸出電壓進行調節(jié)。

3.2 合理進行平面變壓器的優(yōu)化

平面變壓器優(yōu)化屬于整機優(yōu)化的范疇。現(xiàn)將對平面變壓器繞組結構影響變壓器損耗情況做分析，并調節(jié)繞組排布情況，使得LCC變換器效率得以提升。繞組排布上，若第一組副邊繞組導通，第二組副邊繞組會因為感應磁場問題出現(xiàn)額外銅損。故要對這一方面格外注重。另外就是要考慮變壓器磁芯優(yōu)化。高頻LLC變換器的磁性元器件損耗是比較大的。為了提升銷量和高功率密度，應當分析變壓器電感問題。若要保證勵磁電感數(shù)值小，就要擴大氣隙。在本文中共列了四種磁芯氣隙的設計方式，這四種分別是單氣隙磁芯、三氣隙磁芯、雙氣隙磁芯和同向三氣隙磁芯。由表1可知，四種磁芯結構中雙氣隙磁芯的損耗最低。

表1 四種磁芯結構對比分析表

4 結束語

本文是對LLC高頻變換器損耗情況計算及優(yōu)化設計做研究。研究中運用了理論計算和實驗驗證的方式，對磁性元件損耗、開關元件損耗、整流二極管損耗進行了說明。而后也提出了降低損耗的優(yōu)化方式，即采取間歇模式控制策略、合理進行平面變壓器的優(yōu)化。通過本次研究，能夠了解到輕載狀態(tài)下，變壓器、磁性元件對變換器損耗及工作性能造成的影響，并能得到科學的應對策略和方法。