【導(dǎo)讀】本篇文章對(duì)LLC電路效率較低的問(wèn)題進(jìn)行了較為實(shí)際的，且全方位的分析，并且給出了同樣全面地整改方法。如果大家也在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中遇到了同樣的問(wèn)題，不如仔細(xì)閱讀以下本篇文章，或許就能找到相應(yīng)的解決方法。
LLC電路擁有開(kāi)關(guān)損耗小的特點(diǎn)，適用于高頻和高功率的設(shè)計(jì)。但很多人會(huì)遇到自己設(shè)計(jì)出的LLC電路功率偏低的問(wèn)題，導(dǎo)致LLC電路功率低下的問(wèn)題多種多樣，本文將以一個(gè)半橋諧振LLC為例，全面的觀察功率低下的原因，并試著給出相應(yīng)的解決辦法。
在這個(gè)例子當(dāng)中，LLC和PFC基本都在運(yùn)行，但效率僅為88%，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得出如下一組參數(shù)，能獲得87-88%的效率，便無(wú)法在繼續(xù)提高。下面是諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)和波形。
PFC鐵硅鋁磁環(huán)AS130，外徑33mm，磁導(dǎo)率60，電感量330uH,75圈0.75MM銅線。
PFC二極管：MUR460；
PFCMOSFET:7N60；
PFC輸出電壓395V，能正常運(yùn)行；
負(fù)載：輸出24V,6A146W；
LLC級(jí)諧振網(wǎng)絡(luò)：
諧振電感：Ls175uH；
諧振電容：Cs，15nF；
勵(lì)磁電感：Lm,850uH；
M=Lm/Ls=5；
Q=0.5；
Fr=100KHZ；
磁芯：EER3542/Np44/5/5變壓器匝比8.5，初級(jí)3股0.4，次級(jí)6股0.4。
開(kāi)關(guān)：7N60
二極管20/150肖特基（沒(méi)有特意匹配適合的功率器件，經(jīng)過(guò)計(jì)算二極管用60V就可以了。）
滿(mǎn)載150瓦開(kāi)關(guān)頻率82K，略低于諧振頻率，波形如圖1所示，看起來(lái)算是正常。
圖1
黃色為半橋中點(diǎn)
藍(lán)色為用電流互感器測(cè)試到的諧振網(wǎng)絡(luò)的電流波。
下面就針對(duì)效率低下的問(wèn)題，找出了幾個(gè)思考點(diǎn)，試著從中找出效率低下的原因。
思考1
因?yàn)楣ぷ髟诘陀谥C振頻率時(shí)，也是ZVS狀態(tài)，而且次級(jí)能ZCS。所以也是比較有吸引力。但是初級(jí)MOSFET關(guān)斷電流為勵(lì)磁電感的最大電流，所以較低的勵(lì)磁電感會(huì)造成MOSFET關(guān)閉耗損加大。在第一次的參數(shù)中初級(jí)勵(lì)磁電感只有550uH,針對(duì)這點(diǎn)重新計(jì)算了諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，將勵(lì)磁電感提高到了850uH，但是問(wèn)題依然是存在。
相比550uH的勵(lì)磁電感而言但是效率還是有一點(diǎn)提升的，至少在空載時(shí)看到的勵(lì)磁電感電流的峰值是下降了。
圖2
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思考2：
次級(jí)二極管在初級(jí)的諧振網(wǎng)絡(luò)電流等于勵(lì)磁電感的電流后停止傳遞，自然阻斷ZCS。但是在滿(mǎn)載時(shí)候振蕩嚴(yán)重，這一現(xiàn)象是否會(huì)惡化效率，還是說(shuō)并無(wú)影響？
滿(mǎn)載150瓦，次級(jí)二極管電壓波形，沒(méi)有測(cè)試電流波形。
圖3
思考3：
因?yàn)榭紤]的過(guò)載保護(hù)使用了二極管鉗位和兩個(gè)諧振電容的方案，不知這樣是否對(duì)效率存在影響。
針對(duì)這幾點(diǎn)思考，下面給出了相應(yīng)的修改意見(jiàn)。
建議1
增大點(diǎn)工作頻率，或者說(shuō)測(cè)試下實(shí)際諧振電感的感值和諧振電容容值，計(jì)算諧振頻率，將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)的略大于諧振頻率比較好，因?yàn)橛捎谒绤^(qū)的原因會(huì)導(dǎo)致等效的開(kāi)關(guān)頻率減小。
建議2
在滿(mǎn)足增益的條件下，在重載時(shí)開(kāi)關(guān)頻率不要過(guò)低，因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致在重載時(shí)副邊的漏感和原邊的節(jié)電容進(jìn)行諧振。
建議3
整機(jī)效率偏低，需要首先將PFC和DCDC部分分開(kāi)測(cè)試，觀察是由哪部分引起效率偏低的。單純?nèi)ピ龃髣?lì)磁電感，雖然是減小了勵(lì)磁電流，但是對(duì)實(shí)現(xiàn)ZVS條件不利，為了實(shí)現(xiàn)ZVS就需要更長(zhǎng)的死區(qū)來(lái)彌補(bǔ)了。效率不一定會(huì)有提升。
建議4
如果是PFC部分效率因?yàn)楣β时容^小，建議采用CRM或者DCM模式，如果空間不是問(wèn)題，可以采用鐵氧體來(lái)提升效率。
效率與很多因素有關(guān)系，沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)的參考值。在半導(dǎo)體器件選型的基礎(chǔ)上通過(guò)修改諧振元件的參數(shù)盡量去優(yōu)化效率就可以了。
Q值可以算出來(lái)，在波形上也可以看出來(lái)。次級(jí)零流關(guān)斷后勵(lì)磁電流還在上升，就是諧振電容容量偏大了。
或者可以先把次級(jí)繞組的截面積加大，再觀察一下效率。
進(jìn)一步修改
采用了上述的建議之后，再次進(jìn)行試驗(yàn)。這次滿(mǎn)載30分鐘測(cè)試得到的效率，在89.6%，與上次的參數(shù)相比效率提高了1%以上。下面是這次的各種參數(shù)：
Vacin=220V
Vpfcin=396V
Vo=24V
IO=6A
CORE:EER3542/PC40
Ls=173uH
M=5
Lm=850uH
Cs=14nF
Fs=103KHz
Gnor=1.118
Gmax=1.165
Gpk=Gmax*1.1=1.28
N=9
Qe=0.52
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圖4
從參數(shù)的思考：
電感量的加大，減弱了勵(lì)磁電流的的幅度,減少了初級(jí)MOSFET的關(guān)斷耗損。
初級(jí)匝數(shù)的減低，從44減低到36。
次級(jí)電流密度加大從6跟0.4加大到8跟0.4。
峰值增益沒(méi)有考慮最低輸入電壓360V，而是從380V開(kāi)始計(jì)算，因?yàn)樾枰淖畲笤鲆妫ǚ謮壕W(wǎng)絡(luò)的分壓比）需要的較小，只需要1.16，只考慮10%的余量（實(shí)際增益到峰值），滿(mǎn)足輸出電壓所需要的網(wǎng)絡(luò)分壓比只需要1.28。根據(jù)Q值表選擇到0.52。
然后得到諧振網(wǎng)絡(luò)的元件值。由于有較大的諧振電感所以需要初級(jí)和次級(jí)之間的物理距離加大到6-8mm，才能保證170uH的漏感。通過(guò)控制初級(jí)和次級(jí)之間的物理距離能得到合適的漏感量。
E開(kāi)關(guān)頻率依然低于的預(yù)計(jì)諧振頻率，應(yīng)該要把開(kāi)關(guān)頻率提高到諧振頻率附近。（不足之處開(kāi)關(guān)頻率依然低于諧振頻率太多）
將初級(jí)的36圈，降低到34圈，匝比為8.5。但是由于初級(jí)匝數(shù)的降低漏感也發(fā)生了變化，于是需要對(duì)發(fā)生變化的漏感Ls=155uH，重新計(jì)算了諧振網(wǎng)絡(luò)的值，Cs=12nF諧振頻率接近115KHZ。勵(lì)磁電感為750uH。
當(dāng)調(diào)整好參數(shù)滿(mǎn)載時(shí)，確實(shí)發(fā)現(xiàn)：通過(guò)減低匝比來(lái)降低滿(mǎn)載時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)的增益值，確實(shí)而有效的提升了開(kāi)關(guān)頻率。滿(mǎn)載時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率為109K，諧振頻率為115K，已經(jīng)比較接近。觀察電流波形，也有比較好的效果。如圖5所示。
圖5
