在完全工作条件下进行测试之前测量您的 LLC 谐振回路

半桥串联谐振转换器可实现 100 W 以上转换器的高效率和高功率密度。最常见的谐振拓扑(图 1)是由串联磁化电感器组成的谐振回路;谐振电感;和一个电容器(缩写为 LLC)。参数值的选择决定了谐振回路增益曲线的形状，这会影响谐振转换器在系统中的性能。

图 1具有分离谐振电容器的半桥 LLC 功率级，参数值的选择决定了谐振回路增益曲线的形状，需要在向电路施加能量之前对其进行验证。

一旦确定了一组参数并选择了组件，在向电路施加能量之前验证增益曲线非常重要。在本功率技巧中，我将描述一种测量谐振回路增益曲线的技术以及如何解释结果，包括显示该技术的优点和局限性的示例。

频率响应分析仪向任何电路注入一个小的交流信号，然后测量系统中两个点的电压，以确定确定频率范围内的信号增益和相位延迟。虽然该设备最常用于测试控制环路，但您也可以使用频率响应分析仪来测量 LLC 转换器功率级的增益。图 2显示了此类测量的接线图。

图 2将谐振回路连接到频率响应分析仪以重新创建增益曲线图的接线图。功率级的增益图可以通过显示通道 2 电压除以通道 1 电压的幅值来获得。

半桥 LLC 有一对谐振电容器，其中一个连接到输入电压，另一个连接到初级接地。要在此电路中进行测试，谐振电容器必须彼此并联并与初级绕组串联。分析仪的注入信号和通道 1 测量通过初级侧组件从半桥的开关节点连接到谐振电容器的另一端。分析仪的次级通道(通道 2)跨接在次级绕组上，并添加了一个电阻来近似负载条件。扫描注入交流信号的频率后，您可以通过显示通道 2 电压除以通道 1 电压的幅值来绘制功率级增益。图3显示测试结果示例。

图 3可从图 2 所示的测试设置中观察到的 LLC 谐振回路增益曲线测量示例。

您可以根据变压器匝数比以及功率级初级侧和次级侧的开关和绕组的配置，将功率级增益转换为电压增益。半桥 LLC 功率级通常带有中心抽头次级绕组和两个输出整流器。在此示例中，输出电压大约是输入电压、匝数比和谐振回路在工作频率下的增益的乘积。图 4中绘制的次级配置的其他选项使谐振回路能够转换为更高的输出电压。请注意，如果初级侧配置有全桥，则需要将这些比率乘以两倍。

图 4在次级侧配置全波整流器，使传输能量加倍 (a);双端次级配置可实现四倍电压增益 (b)。

该技术的优点是您可以直接在 PCB 上进行测量，并在测试结果中考虑功率级寄生元件。 使用替代模型来解释变压器的构造如何在电路中引入额外的电感(图 5)。您可以围绕这些固有的寄生组件进行设计或将它们集成到您的设计中。例如，您可以使用漏电感作为谐振电感器，通过从设计中移除物理组件来节省成本并提高效率。通过使用这种快速测试，可以简化谐振回路设计的优化。

图 5使用漏电感作为 LLC 转换器的谐振元件的变压器模型，允许设计人员围绕固有寄生组件进行设计或将其集成到设计中。

在次级使用同步整流器将进一步提高 LLC 转换器的效率。这样做会降低传导损耗，而传导损耗往往主导该元件的总损耗特性;然而，MOSFET 的选择可以改变增益曲线的形状。较低电阻的 MOSFET 将具有较大的输出电容。变压器的匝数比可以放大该电容，这在某些情况下可能成为一个问题。正如我所提到的，测试电路中的增益曲线有助于考虑整个功率级中的额外寄生元件。图 6突出显示了 MOSFET 输出电容的影响，这些影响在初始谐振回路设计中可能被忽视。

图 6在此设计中，寄生电容在 300 kHz 左右增加了谐振，而这在设计阶段是不应该出现的。

然而，使用频率响应分析仪无法考虑所有设计寄生元件。例如，测量不会显示彼此耦合不良的次级绕组对中心抽头结构的影响。初级和次级绕组之间的松散耦合会形成漏感，这在一定程度上有利于 LLC 设计。然而，彼此耦合不良的次级绕组会降低功率级的性能。在交流分析中不可能观察到这种影响，但在监测次级绕组电压时会很明显。

例如，图 7中的设计具有正确的增益曲线。但是，当观察次级绕组上的电压时，该电平开始时较高，然后下降至低于输出电压的电平。理想情况下，这些电压波形应该看起来更像方波。松散耦合还会在次级整流器关断边缘产生较大的漏电尖峰。随着负载的增加，彼此松散耦合的次级线圈的失真效应变得更加明显，并限制了可能的输出。力量。

图 7变压器设计中的松散耦合在开关波形中很明显，但在增益曲线中并不明显。

即使在重新配置该变压器设计以使次级绕组更好地相互耦合之后，产生的谐振电感和磁化电感仍然相同。正如预期的那样，增益曲线测量结果没有视觉差异。但图 8中的开关波形说明了新设计的显着改进。

图 8改进的变压器设计具有更好的耦合，可减轻电压降，同时保持增益曲线形状。

重新配置次级绕组后，开关波形看起来更接近预期;波形更加方形，阻断电压等于输出电压。关断边缘的泄漏尖峰也被消除。

这两种变压器的设计实际上是相同的，不需要额外的组件。然而，这些变化对整体效率产生了很大影响。

设计谐振转换器时，请通过验证谐振回路的增益曲线来开始评估。虽然它无法检测到所有故障，但您将深入了解可实现的增益以及预期的工作频率范围。