全桥LLC谐振变换器：拓扑与电感设计详解

全桥LLC谐振变换器和半桥LLC谐振变换器是现代开关电源设计中两种常用的高性能拓扑，由南京航空航天大学的周洁敏教授在2015年深圳电源技术年会上进行了专题讲解。这两种变换器主要应用于中大功率和大功率电源系统，由于其具有显著的优点如高压应力分摊、高效率、高频率和高功率密度，使得它们在开关电源设计中占有重要地位。 1. **拓扑介绍**： - LLC谐振变换器（Low-Loss Coupled-Inductor Converter）是一种利用电感和电容形成LC谐振网络来实现零电压或零电流开关（ZVS/ZCS）工作的变换器。全桥LLC适用于大功率应用，它能够平衡电压和电流应力；而半桥LLC在相同功率下，电压应力较低，但电流应力较高。 2. **谐振电感设计要点**： - 对谐振电感有特定要求，包括材料选择（磁性材料如铁氧体或硅钢片，需考虑磁饱和、磁导率和成本）、尺寸计算（确保达到所需的串联谐振频率）。 - 半桥LLC电感设计示例强调了在不同负载条件下实现ZVS和ZCS的重要性，以及如何通过调节谐振条件来维持输出电压稳定性。 3. **优缺点分析**： - 全桥LLC的优点包括宽广的输入电压和功率范围，较低的电压和电流应力，以及良好的EMI性能。缺点则是短路时电流大，且负载变化时电流有效值高。 - 半桥LLC的优点是结构简单，效率高，但存在原边电流在短路时增大的问题，且副边整流二极管不支持ZCS关断。 4. **设计基本要求**： - 谐振电感和电容的选择应确保在输入电压变化时仍能保持输出电压稳定，同时优化器件的开通和关断损耗，以提高整体效率。 5. **谐振频率与工作区**： - LLC工作频率分为三个区域，正确选择工作区域可以避免出现无法实现ZVS或ZCS的情况。例如，当频率高于某一阈值时，副边整流二极管无法实现零电流关断。 6. **输入阻抗和ZVS实现**： - 输入阻抗取决于负载状态，当输入电压钳位时，原边功率管能实现ZVS，这在电源的功率开通阶段非常重要。 总结，全桥和半桥LLC谐振变换器是开关电源设计中的关键组件，理解它们的拓扑结构、谐振电感设计原则、工作原理和性能特性对于高效、稳定和节能的电源系统至关重要。