详解谐振变换器的自动频率跟踪技术

今天呢，主要想聊一下关于谐振变换器的自动频率跟踪技术，这里我们主要以LLC谐振变换器为例。对于LLC谐振变换器来，当开关频率等于谐振频率时，此时变换器的效率最高，除此之外，变换器的输出电压不随负载的变化而变化。因为，在很多应用中，LLC变换器被设计工作在谐振点从而实现高效率变换。由于此时LLC变换器的增益为固定值与负载无关，因此该工作模式也被称作直流变压器（DC Transformer）工作模式。下面将介绍两种较为典型的应用。图一所示是两级车载充电机方案。该方案里，后级LLC变换器设计工作在谐振点实现高效率变换。为了实现对输出电压的调节，该方案采取变母线电压的方式即通过调节前级PFC的输出电压来达到对输出电压的调节。图二所示为LLC变换器工作在谐振点在数据中心电源中的应用。同理，输出电压的调节通过改变前级变换器的输出电压来实现。

图一、两级车载充电机方案【1】

图二、两级数据中心电源方案【1】

尽管如此，由于在实际工作中，谐振变换器电路参数并不是一成不变的，它会随着工作电压，工作电流，温度以及老化等因素影响而发生偏移，从而导致LLC变换器工作点发生偏移即没有工作在理想的谐振点。因此，自动谐振频率跟踪技术就变得尤其重要。已有的自动频率跟踪技术大多存在以下一个或多个缺点：1）无法适用于所有工作模态；2）无法适用于所有LLC变换器拓扑；3）需要高带宽以及高处理速度的数字控制器；4）复杂的控制电路。这里以基于副边二极管电流的频率跟踪方案为例。图三所示为LLC变换器在不同模式下的工作波形。可以看出，在小于谐振频率工作时，二极管电流工作在断续模式，因此它存在零电流时间。而当变换器工作在谐振点时，二极管电流工作在连续模式且不存在零电流时间。因此，LLC变换器谐振频率跟踪可以通过判断二极管电流是否存在为零而实现。显然，这种方法最明显的缺陷就是它不能工作在大于谐振频率范围内，因为当LLC变换器工作在大于谐振频率范围内，副边二极管电流同样也工作在连续模式。

（a）LLC变换器工作小于谐振频率

（b）LLC变换器工作在谐振频率

（c）LLC变换器工作在大于谐振频率

图三、LLC变换器在不同模式下的工作波形

其实通过观察变压器两端电压，我们可以发现，当变换器工作在小于谐振频率时，变压器副边电压并不是一直被输出电压钳位，而是存在一段电压小于输出电压的阶段如图四所示。因此呢，我们就可以得到变压器副边电压绝对值的平均值是小于输出电压的。那么，我们便可以根据这个特性从而实现对谐振频率的跟踪。图五所示便是具体的频率跟踪步骤。首先通过检测变压器副边电压以及输出电压的平均值并计算它们的比值。如果这个比值小于1，那么说明LLC变换器此时工作在小于谐振频率如图四所示，那么我们便可以通过增加开关频率从而实现对谐振频率的跟踪。当计算得到的比值等于1时，变换器也有可能工作在大于谐振频率，因为当变换器工作在大于谐振频率时，变压器副边电压永远被输出电压钳位。这时，我们便可以通过减小开关频率并观察比值是否小于1，如果比值仍等于1，则变换器仍工作在大于谐振频率。因此，谐振频率跟踪便可以通过减小开关频率直到电压比值小于1为止来实现。

图四、LLC变换器小于谐振频率时的工作波形

图五、基于变压器副边电压的频率跟踪技术

图六所示为实验验证结果。实验中，LLC变换器的谐振频率为150 kHz左右，首先，变换器的起始开关频率被设置在90 kHz来模拟当变换器工作在小于谐振频率时。可以看出起始阶段，变压器副边电压（蓝色波形）并未被输出电压完全钳位。因此，通过增加开关频率来达到频率跟踪，可以看出在谐振点工作时，变压器副边电压被输出电压完全钳位。图七所示为当变换器工作在大于谐振频率时的实验波形。可以看出，当变换器工作在大于谐振频率时，变压器与谐振点工作一样，均被输出电压完全钳位。因此可以通过降低开关频率，直到变压器副边电压存在不被完全钳位的情况为止，那么谐振频率便是上一时刻所对应的开关频率。

图六、基于变压器副边电压的频率跟踪技术的实验波形（小于谐振频率）

图七、基于变压器副边电压的频率跟踪技术的实验波形（大于谐振频率）