降低高频LLC变换器轻载损耗的方法分析

曹彦哲，张 路，刘耿博

(西安麦格米特电气有限公司，西安 710075)

1 LLC变换器运作原理

传统变换器若要达到高频化是较为困难的。若变换器的开关频率提升，开关损耗自然也会增多。但是LLC变换器则有效解决了该问题。当变换器谐振时，电压周期或电流会超过零点，从而实现高频化。LLC变换器工作原理是，谐振槽路电流比并联谐振电感电流要大时，电流能量会由变压器原边传到副边。谐振电容和谐振电感共同谐振时，谐振频率会是串联谐振。而如果谐振槽路电流和并联谐振电感电流一样，变压器原副边就没有能量传递。这个时候的谐振频率是串并联谐振频率。因为LLC谐振变换器能够实现软开关，结构较为简单，故在高频场合广泛应用。

2 高频LLC变换器轻载损耗分析

2.1 磁性元件损耗分析

LLC谐振变换器的损耗中，变压器损耗占比较高。这是因为变压器运作效率会对变换器整体效率造成影响。目前来看，变压器损耗分为铜绕组损耗和铁芯损耗两种。而在磁性元器件磁化时耗掉的能量属于铁芯损耗，铁芯损耗又分成涡流损耗和磁滞损耗。若要减少涡流损耗，可采取三种方法，即降低感应电势、扩大涡流流经路径和提升铁芯电阻率。若要减少磁滞损耗，应对铁芯工作磁通密度缩减。

2.1.1 串联谐振电感损耗

LLC谐振变换器内，平面变压器内部结构比较紧密，故漏感值比较小，达不到谐振需要，故要多增加串联谐振电感。而谐振电感的损耗来自导体铜损和铁芯损耗。导体铜损的公式是：PCu_Lr=Ip_rms2=RLr_ac。RLr_ac是电感交流等效电阻。铁芯损耗的公式是：PFe_Lr=PVVLr。其中，PV是铁芯单位体积损耗，VLr是铁芯体积。那么串联谐振电感总损耗是PLr=PFe_Lr+PCu_Lr。

2.1.2 平面变压器损耗

2.2 开关元件损耗

开关元件损耗有关断损耗和导通损耗两种。变换器满载的状态下，关断损耗要小于导通损耗。若是轻载情况，MOSFET主要损耗便是关断损耗。关断损耗的影响因素是关断速度和关断电流。在对LLC工作原理做分析时得出，关断瞬间电流是励磁电流，受到输出电压、工作频率的影响。在轻载情况下，变压器励磁电感和关断损耗是反比关系。而开关网络的MOSFET，那么损耗是Pmos=Pon+4Poff。导通损耗的计算则是Pon=(LLm_rms+Ir)22Rdson。在整个公式中，ILm_rms为励磁电流值，Ir是传输次级电流，Rdson是MOSFET导通阻抗。在轻载状态下，变压器励磁电感和关断损耗是反比。另外，不一样的MOSFET元器件和驱动也会有一定的影响。如今，开关管的MOSFET损耗用公式表示是Pmos=Pon+4Poff。

2.3 整流二极管损耗

空载情况下，次级并无电流流过，不需要对整流二极管损耗进行考虑。但如果是轻载情况，就算次级电流数值小，损耗仍在初级侧，故不能忽略整流二极管损耗。

3 高频LLC变换器轻载损耗的优化方式

3.1 采取间歇模式控制策略

因变换器在轻载状态下运作会较为复杂，工作频率必然会进入高频段。这样会使得损耗提升。而采取间歇模式则可降低轻载损耗。间歇模式LLC谐振变换器的运作可根据不同的工作状态分成不同阶段。第一阶段是t0时刻前，这个时候的驱动信号是关闭的，谐振槽能量耗尽；第二阶段是t0—t1，这个时候驱动信号已经恢复。谐振槽准备工作，变压器两端电压和电路上升。谐振槽有谐振能量，以此确保接下来的能量传输；第三阶段是t1—t2，因为输出电压提升，谐振槽路电流在开关周期上逐渐变小。等到t2时候，驱动信号再次关闭；第四阶段是t2—t3，t3时的励磁电流和谐振电流是一样的。变压器两端电压会下降，整流二极管不会存在能量传输次级。由此可见，传统间歇控制模式对轻载输出电压的控制力度较高。但为了保障变换器有非常高的效率，也可用实际测试的方式让工作点的效率更高。最优工作点应当在50%负载状态。

在对间歇频率确定以后，控制器能用采样负载端电流实现间歇占空比。如图1所示。

图1 间歇控制模式控制框图

这一控制模式是将基准电压和输出电压的对比数值输入到压控振荡器之内，再运用工作频率的计算来对输出电压进行调节。用此类间歇控制，会让变换器运作状态更稳定，也能更好地对输出电压进行调节。

3.2 合理进行平面变压器的优化

平面变压器优化属于整机优化的范畴。现将对平面变压器绕组结构影响变压器损耗情况做分析，并调节绕组排布情况，使得LCC变换器效率得以提升。绕组排布上，若第一组副边绕组导通，第二组副边绕组会因为感应磁场问题出现额外铜损。故要对这一方面格外注重。另外就是要考虑变压器磁芯优化。高频LLC变换器的磁性元器件损耗是比较大的。为了提升销量和高功率密度，应当分析变压器电感问题。若要保证励磁电感数值小，就要扩大气隙。在本文中共列了四种磁芯气隙的设计方式，这四种分别是单气隙磁芯、三气隙磁芯、双气隙磁芯和同向三气隙磁芯。由表1可知，四种磁芯结构中双气隙磁芯的损耗最低。

表1 四种磁芯结构对比分析表

4 结束语

本文是对LLC高频变换器损耗情况计算及优化设计做研究。研究中运用了理论计算和实验验证的方式，对磁性元件损耗、开关元件损耗、整流二极管损耗进行了说明。而后也提出了降低损耗的优化方式，即采取间歇模式控制策略、合理进行平面变压器的优化。通过本次研究，能够了解到轻载状态下，变压器、磁性元件对变换器损耗及工作性能造成的影响，并能得到科学的应对策略和方法。