LLC谐振转换器原理及设计步骤

如上所述，根据工作频率是大于ωr还是小于ω，LLC谐振转换器可以工作在上区域或下区域。这还取决于两种工作模式的不同特性。当LLC谐振转换器被设计为上区域工作时，流到MOSFET的环流小于下谐振工作上的，MOSFET的传导损耗因此减小，从而提高效率。不过，次级端上的二极管为硬开关，故必须采用肖特基或UF(超快速恢复)二极管来防止严重的反向恢复电流。鉴于此，像便携式设备LCD的电源这样的低压应用有时会考虑采用上谐振工作。另一方面，在下谐振工作的情况下，流到MOSFET的环流比上谐振工作的要大。不过下谐振工作允许次级端上的二极管进行软导通/关断，这样就可以采用普通的快速恢复二极管。下谐振工作是LED或PDP TV等高压应用的首选。这些应用中，输出电压稍高，因而不能使用低额定电压的肖特基二极管。

因此，必须根据应用的规格和特性来选择LLC谐振转换器的工作区域。下一节将讨论LLC谐振转换器工作区域的选择步骤。

下谐振工作的设计步骤
图4所示为一个LLC谐振转换器在100%和10%负载条件下的频域增益曲线。图中，fop@10%load和fop@100%load 为LLC谐振转换器的工作频率，分别是在100%和10%负载条件下调节最大输入电压Vin,max对应的额定输出电压。Mfr代表谐振频率fr下的增益，是固定的，不随负载变化。如上所述，谐振频率是把ZVS区域划分为上/下谐振工作的关键点。因此，当把Vin,max条件下所需增益设定至大于环型电感器Mfr，则即使输入电压和输出负载都减小，所需增益也必然不会小于Mfr。这意味着LLC谐振转换器的工作频率小于对应Mfr的fr，故它总是工作在下区域。下面介绍一个LED TV电源的设计步骤。其输入电压由PFC(功率因数校正)提供，最小、额定和最大输入电压分别为350、380和400Vdc，输出规格为120V/1.5A。另外，集成式变压器使用分段骨架，控制器采用的是带有两个MOSFET的FSFR系列器件，这是飞兆半导体专为谐振半桥型转换器而设计的产品。

图4 LLC谐振转换器的频域增益曲线

● 步骤1 选择m和fr，并计算Mfr
利用式2，谐振频率fr下的功率电感器谐振增益Mfr可由下式求得：
(3)
式3中，m和fr都由设计人员选择。若选择的m值很小，峰值增益增加，且需要较大的Lr。若m值过小，需要外部电感，因为这时要在集成式变压器中获得高值Lr实际上是相当困难的。另一方面，如果选择较大的m值，则峰值增益降低。由于Lr比Lp低，使用集成式变压器十分容易。一般共模电感而言，m值在4～7之间是比较合理的。

当m和fr分别设置为6kHz和100kHz时，求得谐振频率下的谐振增益为1.09。

● 步骤2 确定最大增益

利塑封电感器用公式（4）可求出所需最小和最大增益：
Mmin=(Vvirtual/Vin,max)Mfr，Mmax=（Vvirtual/Vin，min）Mfr (4)
式中，Mmin和Mmax分别为最小和最大增益。Vvirtual是对应于谐振频率的有效输入电压。

如前所述，如果谐振电压下的Vvirtual被设定为大于最大输入电压Vin,max，则工作频率将总是低于谐振频率，于是设计出的LLC谐振转换器就会工作在下谐振工作区域。

假定Virtual设为420Vdc并考虑到余裕，Mmin和Mmax可采用式4计算：
Mmin=420/400×1.1=1.16/Mmax=420/350×1.1=1.31

考虑到因负载瞬态和输入电压变化，峰值增益应具有一定余裕，增加10%的余裕是比较恰当的，故合理的Mmax值为1.45。

● 步骤3 确定集成式变压器的匝数比

利用步骤2中求得的有效输入电压Vvirtual和合理的谐振增益Mfr，集成式变压器的匝数比可由式（5）求得：
n=Vvirtual/2(Vout+VF) (5)
式中，Vout和VF分别是次级端二极管的额定输出电压和正向电压降。如果需要调节匝数比n，可回到步骤2，增加或减小有效输入电压Vvirtual即可。在步骤2中，Vvirtual已被设为420Vdc。VF取1Vdc，集成式变压器的匝数比为

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