LLC半桥谐振电感设计的关键因素与损耗分析

"周洁敏在2015年深圳电源技术年会上的演讲，主题为LLC半桥谐振电感设计。讲解了LLC谐振变换器的拓扑结构，半桥与全桥的区别，以及谐振电感的设计要点和优缺点。" 在深入探讨损耗分析之前，首先对一些关键概念进行定义。品质因数（Quality Factor, Q），在电力系统中通常用于衡量电感或电容储能与损耗的比例，Q值越高，表示储能能力越强，损耗越小。电感系数（Inductance）是衡量电感元件储存磁场能量的能力，单位为亨利（H）。归一化频率（Normalized Frequency）则是在分析谐振电路时，将实际工作频率除以谐振频率，以简化分析。 周洁敏教授在演讲中提到的LLC谐振变换器是一种广泛应用的开关电源拓扑，尤其适用于中大功率场景。半桥LLC变换器因其电压应力仅为全桥的一半，但电流应力是全桥的两倍，故在相同功率下，两者各有优势。全桥LLC更适合大功率应用。在分析半桥LLC谐振变换器时，假设输出电容很大且输出电压基本不变，这样有助于简化分析。 LLC谐振变换器的优点包括原边MOS管实现零电压开关（Zero Voltage Switching, ZVS）和副边二极管实现零电流开关（Zero Current Switching, ZCS），从而降低了开关损耗，提高了效率，同时具有高频和高功率密度特性，以及宽输入电压和输出功率范围。然而，它也有一些缺点，如短路时原边电流较高，以及电路中的电流有效值较大。 在设计谐振电感时，有几个关键要求。首先，无论负载如何变化，都应保持ZVS，以减少MOS管的开通损耗。其次，要控制器件的关断电流，减小关断损耗。此外，电感设计需要确保在输入电压变化大时，仍能维持稳定的输出电压调节。谐振电感和电容共同决定了串联谐振频率，而激磁电感在不同工作状态下参与谐振，影响电路行为。 LLC工作在三个不同的频率区域，分别是区域1、2和3。区域1和2是理想的运行区域，可以实现ZVS和ZCS，而区域3则会导致副边整流二极管无法实现零电流关断，且输入阻抗为感性，不利于ZVS。因此，设计时必须避免在区域3工作。 在讲解中，周洁敏还提到了激磁电流随工作状态的变化，如线性增长和反向线性增长，这对理解和优化电感设计至关重要。同时，VT1ON时副边的整流管状态也是分析的重点，因为它直接影响着开关电源的工作性能和效率。 进行损耗分析前，需要理解这些基本定义和LLC谐振变换器的工作原理，这对于高效、可靠的电源设计至关重要。在设计电感时，考虑谐振频率、品质因数、电感系数等因素，并结合实际应用需求，可以优化电源性能，降低损耗，提高系统效率。