在LLC变换器设计中的电感器和变压器选择

这个电感器是你在LLC变换器设计中需要的众多组件之一

所有的电子设备都需要电源供应和电源调节，无论是大型工业系统还是小型可穿戴设备。如果你正在设计汽车电源管理单元、家用电器的电源转换器或工业电源系统，那么你很可能会使用LLC变换器设计进行直流到直流的转换和调节。这种拓扑结构提供了高电源转换效率和简单的调节方案，但这一切都取决于选择正确的组件。

在LLC变换器设计中至关重要的两个主要组件是电感器和变压器。这两个组件控制电源转换，并共同决定了转换器阶段主侧的谐振行为。当与PFC电路和控制回路一起设计时，你将拥有一个适用于多种应用的高效率电源转换器。

LLC变换器设计的组件

LLC谐振变换器是一种开关直流到直流变换器，其中输出电压通过调整半桥或全桥电路的驱动频率来控制，该电路使用功率MOSFETs。桥电路的输出电流流入一个与变压器串联连接的谐振LC罐。然后，变压器将脉冲电压在次级侧上升压或降压。

变换器的次级侧包含一个桥式整流电路（由二极管或MOSFETs构建），它将输出电压/电流整流为稳定的直流电平。一组电容器进一步稳定输出电压并将纹波降低到低噪声的直流值。这些变换器具有复杂的拓扑结构，但控制方法非常简单，变换器中所需的功能块可以由一系列商业上可获得的组件构建。下面展示了LLC变换器设计的基本拓扑结构。

半桥LLC变换器设计的拓扑结构。

与其他需要改变PWM信号占空比来控制输出电压的开关变换器不同，LLC变换器需要改变频率（脉冲频率调制，或PFM）来将输出电压设置为所需值。上述半桥LLC变换器设计中的晶体管Q1和Q2相位相差180度切换。当高侧晶体管打开时，电流流向电容器Cr并对其充电。一旦Q1关闭并且Q2打开，Cr放电。两个周期都在次级侧诱导电流，然后被整流为直流电压。输出侧的电容器组然后平滑输出电压至稳定值。

通过利用谐振罐段（上图中的LLC电路）中的增益，可以调整并维持初级侧的电压在所需值。通过反馈回路测量的电压用于调整来自门驱动电路的PFM信号，这样在初级侧LLC网络中利用更多或更少的增益。这是变压器和电感器变得关键并需要被选中以提供正确增益范围的地方。

电感器和变压器选择标准

电感器和变压器需要满足特定标准，以便在LLC转换器设计中正常工作：

• 线圈电感值：LLC转换器阶段中两个线圈的电感值取决于电容器Cr的值。典型的电容器值为Cr ~ 100 nF至1 uF，因此初级侧电感器（Lr）将为~0.1 mH，用于接近100 kHz的操作（典型的门驱动频率）。变压器初级侧线圈的电感（Lm）通常约为Lr值的5-10%。

• 线圈电阻和电流额定值：导体的电阻影响变压器/电感器中的电流额定值。理想情况下，线圈电阻应尽可能低以减少热量产生。

• 绕组电容。这种寄生电容将决定对噪声的敏感性，这在转换器为其他高速数字电路块供电时变得重要。物理尺寸较小的电感器和变压器将具有较大的绕组电容。

• 额外的初级或次级侧线圈：变压器可能在初级侧有多个线圈，以将电压降至~5 V或~3.3 V，以供电反馈回路中的外围设备和系统中的其他组件。

• 占地面积：为高功率操作设计的LLC转换器将具有笨重的组件。在~1 kW转换器中，占地面积可以为~5-10 cm。

在高功率LLC转换器设计中常见的一个电感器示例是Bourns的2300HT系列功率电感器。这些电感器具有小占地面积（直径最大1.28英寸）并且可以承受从2.9到38.7 A的电流。它们专门设计用于承受极端环境中高功率转换器可能出现的高温，额定工作温度范围为-55至+200°C。它们还提供垂直或水平安装风格，为设计师提供了低调选项，如果需要的话。

2300HT系列电感器照片和机械图纸。来自2300HT数据表。

Würth Elektronik的脉冲变压器系列是用于高功率LLC转换器设计的一个选项。这些变压器提供了中等功率系统所需的低电感和高电流额定值。它们还具有一系列端子，用于在相对小的封装中选择输出电压/电流值。

Würth Elektronik 750311591脉冲变压器的示例封装数据。来源于750311591数据手册。

LLC谐振转换器设计的其他组件

通过结合变压器的线圈电感和初级电感器值，您可以选择LLC转换器设计中可用的频率范围。在上面显示的LLC谐振阶段以及在PFC电路中使用的反馈和控制回路中，还需要出现一些其他组件。这些组件包括：

• 用于电压/电流测量的精密感测放大器

• 电感器和共模扼流圈

• 用于供电外设的低压调节器

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