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LLC转换器设计中的电感器和变压器选择
LLC转换器设计中的电感器和变压器选择
所有电子产品都需要电源和功率调节，无论它们是大型工业系统还是小型可穿戴设备。如果您正在设计汽车电源管理单元，家用电器或工业电源系统的电源转换器，则可能会使用LLC转换器设计进行DC-DC转换和调节。这种拓扑结构通过简单的调节方案即可提供高功率转换效率，但这全都取决于选择正确的组件。
LLC转换器设计中至关重要的两个主要组件是电感器和变压器。这两个组件控制功率转换，并共同确定转换器级初级侧的谐振行为。与PFC电路和控制回路一起设计时，您将拥有适用于各种应用的高效功率转换器。
LLC转换器设计的组件
LLC谐振转换器是一种开关DC-DC转换器，其中通过使用功率MOSFET调节半桥或全桥电路的驱动频率来控制输出电压。桥接电路的输出电流流入与变压器串联的谐振LC谐振回路中。然后，变压器将脉冲电压升压或降压到次级侧。
转换器的次级侧包含一个桥式整流器电路（由二极管或MOSFET构建），该电路可将输出电压/电流整流至稳定的直流电平。电容器组进一步稳定了输出电压，并将纹波减小至低噪声DC值。这些转换器具有复杂的拓扑，但是控制方法非常简单，并且转换器中所需的功能块可以由一系列可商购的组件来构建。LLC转换器设计的基本拓扑如下所示。
半桥LLC转换器设计的拓扑。
与其他需要更改PWM信号的占空比以控制输出电压的开关转换器不同，LLC转换器需要更改频率（脉冲频率调制或PFM）以将输出电压设置为所需值。上述半桥LLC转换器设计中的晶体管Q1和Q2异相切换180度。当高端晶体管导通时，电流流向电容器Cr并对其充电。一旦Q1关闭并且Q2开启，Cr就会放电。两个周期在次级侧感应出一个电流，然后将其整流为直流电压。然后，输出侧的电容器组会将输出电压平滑至稳定值。
通过利用谐振回路部分（上图中的LLC电路）中的增益，可以将初级侧的电压调整并保持在所需值。通过反馈环路测得的电压用于调节来自栅极驱动器电路的PFM信号，该电路利用或多或少地利用了初级侧LLC网络的增益。这是变压器和电感器变得至关重要的地方，需要对其进行选择以提供正确的增益范围。
电感和变压器选择标准
电感器和变压器需要满足特定的条件才能在LLC转换器设计中正常运行：
线圈电感值： LLC转换器级中两个线圈的电感值取决于电容器Cr的值。典型的电容值为Cr〜100 nF至1 uF，因此，在100 kHz（典型的栅极驱动器频率）附近工作时，初级侧电感（Lr）为〜0.1 mH。变压器初级侧线圈的电感（Lm）通常约为Lr值的5-10％。
线圈电阻和额定电流：导体的电阻会影响变压器/电感器中的额定电流。理想情况下，线圈电阻应尽可能低，以减少热量的产生。
绕组电容。这种寄生效应将决定噪声的敏感性，如果转换器为其他高速数字电路模块供电，这一点就变得很重要。物理上较小的电感器和变压器将具有较大的绕组电容。
其他初级或次级侧线圈：变压器在初级侧可能具有多个线圈，以将电压降低至〜5 V或〜3.3 V，以为反馈环路中的外围设备和系统中的其他组件供电。
占用空间：专为高功率工作而设计的LLC转换器将具有庞大的组件。在约1 kW的转换器中，足迹的尺寸可能约为5-10厘米。
Bourns的2300HT系列功率电感器是高功率LLC转换器设计中常见的一个示例电感器。这些电感器占地面积小（最大直径为1.28英寸），可承受2.9至38.7 A的电流。它们专门设计用于承受极端环境下大功率转换器中可能出现的高温，额定工作温度为-55至+200°C。它们还具有垂直或水平安装样式，如果需要，可为设计人员提供低调的选择。
2300HT系列电感图片和机械图纸。
脉冲变压器系列是用于高功率LLC转换器设计的一种选择。这些变压器可提供中等功率系统所需的低电感和高额定电流。它们还具有一定范围的端子，用于在相对较小的封装中选择输出电压/电流值。
750311591脉冲变压器的足迹数据示例。
LLC谐振转换器设计的其他组件
通过组合变压器的线圈电感和初级电感值，您可以选择LLC转换器设计中的可用频率范围。其他一些组件将需要出现在上述LLC谐振级的反馈环路中，以及PFC电路中使用的反馈和控制环路中。其中一些组件包括：
精密感测放大器，用于电压/电流测量
电感和共模扼流圈
低压稳压器，用于为外围设备供电