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技術(shù)專(zhuān)題
LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的電感器和變壓器選擇
LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的電感器和變壓器選擇
所有電子產(chǎn)品都需要電源和功率調(diào)節(jié)，無(wú)論它們是大型工業(yè)系統(tǒng)還是小型可穿戴設(shè)備。如果您正在設(shè)計(jì)汽車(chē)電源管理單元，家用電器或工業(yè)電源系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器，則可能會(huì)使用LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)方案即可提供高功率轉(zhuǎn)換效率，但這全都取決于選擇正確的組件。
LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的兩個(gè)主要組件是電感器和變壓器。這兩個(gè)組件控制功率轉(zhuǎn)換，并共同確定轉(zhuǎn)換器級(jí)初級(jí)側(cè)的諧振行為。與PFC電路和控制回路一起設(shè)計(jì)時(shí)，您將擁有適用于各種應(yīng)用的高效功率轉(zhuǎn)換器。
LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的組件
LLC諧振轉(zhuǎn)換器是一種開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中通過(guò)使用功率MOSFET調(diào)節(jié)半橋或全橋電路的驅(qū)動(dòng)頻率來(lái)控制輸出電壓。橋接電路的輸出電流流入與變壓器串聯(lián)的諧振LC諧振回路中。然后，變壓器將脈沖電壓升壓或降壓到次級(jí)側(cè)。
轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)包含一個(gè)橋式整流器電路（由二極管或MOSFET構(gòu)建），該電路可將輸出電壓/電流整流至穩(wěn)定的直流電平。電容器組進(jìn)一步穩(wěn)定了輸出電壓，并將紋波減小至低噪聲DC值。這些轉(zhuǎn)換器具有復(fù)雜的拓?fù)?，但是控制方法非常?jiǎn)單，并且轉(zhuǎn)換器中所需的功能塊可以由一系列可商購(gòu)的組件來(lái)構(gòu)建。LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的基本拓?fù)淙缦滤尽?span>
半橋LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的拓?fù)洹?span>
與其他需要更改PWM信號(hào)的占空比以控制輸出電壓的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器不同，LLC轉(zhuǎn)換器需要更改頻率（脈沖頻率調(diào)制或PFM）以將輸出電壓設(shè)置為所需值。上述半橋LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的晶體管Q1和Q2異相切換180度。當(dāng)高端晶體管導(dǎo)通時(shí)，電流流向電容器Cr并對(duì)其充電。一旦Q1關(guān)閉并且Q2開(kāi)啟，Cr就會(huì)放電。兩個(gè)周期在次級(jí)側(cè)感應(yīng)出一個(gè)電流，然后將其整流為直流電壓。然后，輸出側(cè)的電容器組會(huì)將輸出電壓平滑至穩(wěn)定值。
通過(guò)利用諧振回路部分（上圖中的LLC電路）中的增益，可以將初級(jí)側(cè)的電壓調(diào)整并保持在所需值。通過(guò)反饋環(huán)路測(cè)得的電壓用于調(diào)節(jié)來(lái)自柵極驅(qū)動(dòng)器電路的PFM信號(hào)，該電路利用或多或少地利用了初級(jí)側(cè)LLC網(wǎng)絡(luò)的增益。這是變壓器和電感器變得至關(guān)重要的地方，需要對(duì)其進(jìn)行選擇以提供正確的增益范圍。
電感和變壓器選擇標(biāo)準(zhǔn)
電感器和變壓器需要滿足特定的條件才能在LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中正常運(yùn)行：
線圈電感值： LLC轉(zhuǎn)換器級(jí)中兩個(gè)線圈的電感值取決于電容器Cr的值。典型的電容值為Cr?100 nF至1 uF，因此，在100 kHz（典型的柵極驅(qū)動(dòng)器頻率）附近工作時(shí)，初級(jí)側(cè)電感（Lr）為?0.1 mH。變壓器初級(jí)側(cè)線圈的電感（Lm）通常約為Lr值的5-10％。
線圈電阻和額定電流：導(dǎo)體的電阻會(huì)影響變壓器/電感器中的額定電流。理想情況下，線圈電阻應(yīng)盡可能低，以減少熱量的產(chǎn)生。
繞組電容。這種寄生效應(yīng)將決定噪聲的敏感性，如果轉(zhuǎn)換器為其他高速數(shù)字電路模塊供電，這一點(diǎn)就變得很重要。物理上較小的電感器和變壓器將具有較大的繞組電容。
其他初級(jí)或次級(jí)側(cè)線圈：變壓器在初級(jí)側(cè)可能具有多個(gè)線圈，以將電壓降低至?5 V或?3.3 V，以為反饋環(huán)路中的外圍設(shè)備和系統(tǒng)中的其他組件供電。
占用空間：專(zhuān)為高功率工作而設(shè)計(jì)的LLC轉(zhuǎn)換器將具有龐大的組件。在約1 kW的轉(zhuǎn)換器中，足跡的尺寸可能約為5-10厘米。
Bourns的2300HT系列功率電感器是高功率LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的一個(gè)示例電感器。這些電感器占地面積?。ㄗ畲笾睆綖?span>1.28英寸），可承受2.9至38.7 A的電流。它們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于承受極端環(huán)境下大功率轉(zhuǎn)換器中可能出現(xiàn)的高溫，額定工作溫度為-55至+200°C。它們還具有垂直或水平安裝樣式，如果需要，可為設(shè)計(jì)人員提供低調(diào)的選擇。
2300HT系列電感圖片和機(jī)械圖紙。
脈沖變壓器系列是用于高功率LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的一種選擇。這些變壓器可提供中等功率系統(tǒng)所需的低電感和高額定電流。它們還具有一定范圍的端子，用于在相對(duì)較小的封裝中選擇輸出電壓/電流值。
750311591脈沖變壓器的足跡數(shù)據(jù)示例。
LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的其他組件
通過(guò)組合變壓器的線圈電感和初級(jí)電感值，您可以選擇LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的可用頻率范圍。其他一些組件將需要出現(xiàn)在上述LLC諧振級(jí)的反饋環(huán)路中，以及PFC電路中使用的反饋和控制環(huán)路中。其中一些組件包括：
精密感測(cè)放大器，用于電壓/電流測(cè)量
電感和共模扼流圈
低壓穩(wěn)壓器，用于為外圍設(shè)備供電