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半桥谐振LLC效率偏低是何原因?资料下载
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2021-04-05
王刚
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LLC电路拥有开关损耗小的特点，适用于高频和高功率的设计。但很多人会遇到自己设计出的LLC电路功率偏低的问题，导致LLC电路功率低下的问题多种多样，本文将以一个半桥谐振LLC为例，全面的观察功率低下的原因，并试着给出相应的解决办法。
在这个例子当中，LLC和PFC基本都在运行，但效率仅为88%，经过多次试验得出如下一组参数，能获得87-88%的效率，便无法在继续提高。下面是谐振网络的参数和波形。
PFC铁硅铝磁环AS130，外径33mm，磁导率60，电感量330uH,75圈0.75MM铜线。
PFC二极管：MUR460；
PFCMOSFET:7N60；
PFC输出电压395V，能正常运行；
负载：输出24V,6A146W；
LLC级谐振网络：
谐振电感：Ls175uH；
谐振电容：Cs，15nF；
励磁电感：Lm,850uH；
M=Lm/Ls=5；
Q=0.5；
Fr=100KHZ；
磁芯：EER3542/Np44/5/5变压器匝比8.5，初级3股0.4，次级6股0.4。
开关：7N60
二极管20/150肖特基（没有特意匹配适合的功率器件，经过计算二极管用60V就可以了。）
满载150瓦开关频率82K，略低于谐振频率，波形如图1所示，看起来算是正常。
图1
黄色为半桥中点
蓝色为用电流互感器测试到的谐振网络的电流波。
下面就针对效率低下的问题，找出了几个思考点，试着从中找出效率低下的原因。
思考1
因为工作在低于谐振频率时，也是ZVS状态，而且次级能ZCS。所以也是比较有吸引力。但是初级MOSFET关断电流为励磁电感的最大电流，所以较低的励磁电感会造成MOSFET关闭耗损加大。在第一次的参数中初级励磁电感只有550uH,针对这点重新计算了谐振网络的参数，将励磁电感提高到了850uH，但是问题依然是存在。
相比550uH的励磁电感而言但是效率还是有一点提升的，至少在空载时看到的励磁电感电流的峰值是下降了。
图2
思考2：
次级二极管在初级的谐振网络电流等于励磁电感的电流后停止传递，自然阻断ZCS。但是在满载时候振荡严重，这一现象是否会恶化效率，还是说并无影响？
满载150瓦，次级二极管电压波形，没有测试电流波形。
图3
思考3：
因为考虑的过载保护使用了二极管钳位和两个谐振电容的方案，不知这样是否对效率存在影响。
针对这几点思考，下面给出了相应的修改意见。
建议1
增大点工作频率，或者说测试下实际谐振电感的感值和谐振电容容值，计算谐振频率，将开关频率设的略大于谐振频率比较好，因为由于死区的原因会导致等效的开关频率减小。
建议2
在满足增益的条件下，在重载时开关频率不要过低，因为会导致在重载时副边的漏感和原边的节电容进行谐振。
建议3
整机效率偏低，需要首先将PFC和DCDC部分分开测试，观察是由哪部分引起效率偏低的。单纯去增大励磁电感，虽然是减小了励磁电流，但是对实现ZVS条件不利，为了实现ZVS就需要更长的死区来弥补了。效率不一定会有提升。
建议4
如果是PFC部分效率因为功率比较小，建议采用CRM或者DCM模式，如果空间不是问题，可以采用铁氧体来提升效率。
效率与很多因素有关系，没有一个绝对的参考值。在半导体器件选型的基础上通过修改谐振元件的参数尽量去优化效率就可以了。
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