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本期，我们将介绍LLC 谐振转换器的详细知识。
电感器-电感器-电容器（LLC）谐振转换器具有多个优势，适用于需要隔离式直流/直流转换的场景。其特点包括开关损耗低、在低于谐振频率时不发生反向恢复，以及对变压器漏感较强的适应能力。
设计挑战：增益曲线与负载关系
在设计宽工作范围的LLC转换器时，主要挑战在于增益曲线随等效负载电阻的变化。随着品质因数（Qe）升高，最大增益下降；而Qe降低时，最小增益上升。如图1所示，这种特性限制了在合理开关频率范围内维持较低均方根（RMS）电流的能力。
为缩小频率调节范围，需降低电感比（Ln），但会增加磁化电流。本文将介绍五项优化宽电压范围LLC转换器设计的关键技巧。
技巧一：采用可重新配置整流器
通过实现可切换的整流结构，可扩展LLC转换器的工作范围。如图2所示，整流器可在全桥与倍压模式间切换，由比较器检测输出电压并控制模式切换。
全桥模式下的输入-输出传递函数见公式3，倍压模式下见公式4。图3展示了在450V输入下，输出从140V至420V变化时的开关频率响应，200V处出现模式切换点。
公式3
公式4
图3：开关频率与输出电压关系（800mA负载）
技巧二：减小绕组与整流器寄生电容
当工作点低于最小增益曲线时，控制器进入突发模式，导致低频输出纹波增大，影响轻载性能。此时应尽可能降低变压器绕组电容及整流器的Coss或Cj。
在高于谐振频率运行时，这些寄生电容会导致增益曲线反转。图4对比了传统一次谐波近似（FHA）计算结果与实际考虑寄生电容后的增益曲线差异。
优化变压器绕组结构并选用SiC二极管或GaN HEMT等宽带隙器件作为整流元件，可显著降低Coss，减轻增益反转效应。
技巧三：使用支持高频跳跃模式的LLC控制器
高频跳跃模式可实现比正常运行更低的增益，适用于宽输入电压场景。以100W半桥LLC转换器为例，输入范围70V–450V。
如图5所示，在跳跃模式下每四个开关周期跳过一个，主开关频率260kHz，突发调制频率77kHz，有效拓展了低增益调节能力。
图5：70V与450V输入下的谐振电流（绿）与开关节点电压（蓝）
技巧四：优化辅助偏置电压管理
LLC变压器常通过辅助绕组为初级和次级侧提供偏置电压。对于可变输出电压系统，若辅助绕组与次级耦合不佳，偏置电压波动明显，使用LDO稳压将导致效率下降和散热压力增加。
图6展示一种双辅助绕组方案：Naux1和Naux2协同工作，利用齐纳二极管D3和MOSFET Q1实现自动切换。当输出电压升高后，Q1关断，由Naux2独立供电，提升整体效率。
该方法虽需两个绕组，但优于单绕组加LDO结构。也可采用单绕组配合降压或升压转换器替代LDO，提高能效。
技巧五：实现深度放电电池的微电流充电
LLC转换器用于电池充电时，需先以小电流恢复深度放电电池。由于LLC无法在零输出电压下精确控制极小电流，常规方案难以满足要求。
解决方案是在输出端加入带并联旁路FET的小型恒流电路（如图7）。微电流充电阶段，旁路FET关闭，LM317提供稳定小电流，确保即使输出短路或为0V，LLC仍能维持最低工作电压，保障偏置电源正常。
当电池电压回升后，电荷泵驱动FET导通，绕过恒流电路，转入正常大电流充电模式。此方法避免了额外辅助电源的需求，简化系统设计。
总结
尽管LLC拓扑在宽电压范围应用中面临增益调节难题，但通过上述五项策略——可重构整流器、降低寄生电容、高频跳跃模式控制、优化偏置供电及微电流充电设计——可有效拓展其工作范围。这些方法均基于模拟控制实现，无需复杂数字控制系统，具备高实用性和工程可行性。
*本文此前发布于 EDN.com