基于输入电压调节于LLC-SRC效率最佳化设计考量
模拟验证
以12V/25A 300W输出谐振转换器为例,选择Lr=110uH Cr=22nF m=5 输入390VDC,操作于fs《f0区间:
另选择m=19 操作于fs》f0区间:
由两者增益曲线比较可知,当m越大时会越接近传统串联谐振之特性。增益-频率表现变化较小,因此需要较高的操作频率以维持轻载输出电压的稳定。
由图7与图8可知,当转换器工作在fs《f0状态下,负载变化时,操作频率变化範围较窄。可是因其关断电流(turn off current)受激磁电感(Lm)加入谐振的关係,在负载变化时都会维持在一定值。
比较图7与图9,两种操作模式下,在fs《f0状态时,二次侧输出涟波电流较大。因此较不适用于大电流输出之应用。
比较图9与图10,当负载变化时切换频率变化範围较大。负载越轻操作频率越高以稳定输出电压。但过高的操作频率会使得切换损失增加而影响轻载的转换效率。另外我们可以发现在此操作模式下,一次侧切换晶体的关断电流并不会受到激磁电感(Lm)的影响。亦即在此模式下,激磁电感并没有参与谐振。也因为这个特性,我们可以很容易的最佳化满载效率。
比较图9与图11,两者皆操作于fs》f0区间,在图11中,一次侧切换晶体(MosFET)的关断电流(turn off current)已明显减少。
系统搭配
综合以上论述,当我们要使用串联谐振转换器应用在大电流输出时,应该考虑将其操作于fs》f0模式中。如此可以得到最佳化的满载效率(不考虑同步整流)。但是相对而言,如何提高轻载及半载效率以及维持空载输出电压的稳定就变得极为重要了。由图六我们可以得知,当负载低于20%时的增益曲线已经相当平缓,表示我们可能无法藉由提高工作频率的方式来调整线路之增益。但是这个问题我们可以藉由突衝模式(Burst Mode)来克服。如图12:
在系统应用中,通常前级会搭配升压型的功因修正线路(Boost PFC)。试想当交流市电输入在低压(115VAC)满载时,升压线路会将串联谐振转换器(LLC-SRC)之输入电压(Vin)提升电感器生产至约390VDC,因此我们可以针对此输入电压最佳化串联谐振网路之满载效率。但是随着输出负载降低,半桥谐振网路的切换频率会逐渐提高以稳定输出电压,因此在20%及50%负载时效率也会随之下降。
此时我们必须透过一种降压技术,将升压型功因修正(PFC)线路之输出电压调降,来补偿升压级PFC的功率损耗。此降压功能必须同时在低电压(Low Line input)输入以及非满载条件下才会成立。虽然降压方式是为平衡升压型功因修正(Boost PFC)线路之功率损耗,但对于操作在fs》f0模式的串联谐振转换器而言,刚好也可以使其谐振网路(Resonant network)最佳化并改善了切换频率提高的问题。
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