技術(shù)干貨 | LLC 拓撲提升功率密度和可靠性

汽車電源設(shè)計人員必須選擇拓撲和控制器，除了滿足外形和效率等規(guī)格要求外，還需滿足國際標(biāo)準化組織 26262 確定的汽車安全完整性等級標(biāo)準。過去，設(shè)計人員使用在半橋拓撲中配置的簡單模擬脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器。但是，對于需要高級保護或更高效率的系統(tǒng)， PWM 控制器無法滿足要求 。

全新的混合動力汽車或電動汽車 (EV) 需要更高的功率密度、輕負載性能和更高的可靠性，從而更大限度地延長續(xù)航里程和提高安全性，鼓勵設(shè)計人員探索用于動力總成系統(tǒng)（例如輔助、冗余、分布式和區(qū)域模塊）的新型架構(gòu)。為了減少排放，摩托車、高爾夫球車、叉車甚至割草機制造商正在投資購買電壓更高的電池組、電動模型和充電基礎(chǔ)設(shè)施。輕型電動汽車 (LEV) 設(shè)計人員需要能夠 提供高功率密度但不影響成本或可靠性的產(chǎn)品 。

與基于 PWM 控制器的半橋轉(zhuǎn)換器相比，由于配有固有的諧振和零電壓開關(guān) (ZVS)， 電感器-電感器-電容器 (LLC) 拓撲可以提供更好的效率和電磁兼容性 (EMC) 。但是，盡管 LLC 拓撲具有諸多優(yōu)勢，例如超低待機功耗和可聽到的噪聲低，但 EV 制造商一直不愿使用 LLC 拓撲，因為工作輸入電壓范圍有限。汽車直流/直流轉(zhuǎn)換器需要寬輸入和/或輸出電壓的支持或者兩者的支持，才能在冷啟動、瞬態(tài)或碰撞相關(guān)事件中保持性能。

UCC25661 (Q1) 等 LLC 控制器的技術(shù)創(chuàng)新為汽車和 EV 充電應(yīng)用中的 LLC 拓撲 提供了新的用例 。在電動汽車中，LLC 拓撲可用于冗余、輔助、區(qū)域模塊或關(guān)閉電源。在 LEV 中，LLC 拓撲可用于板載直流/直流轉(zhuǎn)換器或非車載充電器/適配器。在這些應(yīng)用中，為了最大限度地延長車輛續(xù)航里程和節(jié)省成本，必須 提高效率和減小尺寸 ，尤其是在車輛中分布了多個 LLC 轉(zhuǎn)換器的情況下，具體的區(qū)模塊如 圖 1 所示。

圖 1：區(qū)域架構(gòu)

磁性元件通常決定了隔離式電源的尺寸和重量。尺寸與開關(guān)頻率成反比，因為以固定輸出功率在每個開關(guān)周期中需要存儲或輸送的能量更少。

UCC25661-Q1 LLC 控制器中的 750kHz 諧振頻率有助于縮小磁性元件的尺寸和重量 ，從而節(jié)省成本并提高可靠性。在車輛中分布的許多 LLC 轉(zhuǎn)換器強化了使用更小、更輕的磁性元件的優(yōu)勢。

PWM 控制器能支持高頻運行，但其硬開關(guān)特性意味著在沒有大型 EMI 濾波器的情況下，要符合 EMI 限制要求（例如國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 25中規(guī)定的 EMI 限制）可能具有挑戰(zhàn)性。LLC 控制器具有固有的軟開關(guān)特性，這是因為它們在功率級中具有一個諧振回路。因此，與硬開關(guān)半橋拓撲相比， LLC 拓撲產(chǎn)生的傳導(dǎo) EMI 和開關(guān)損耗更少 。

圖 2 說明了硬開關(guān)和軟開關(guān) (ZVS) 之間的差異。

圖 2：半橋 PWM 控制器與 LLC 控制器之間開關(guān)事件的示例波形

UCC25661-Q1 LLC 控制器包括 TI 的輸入功率比例控制 (IPPC) ，可 支持電池充電 （輕量 EV 適配器，充電站或輔助電源） 等寬輸出電壓應(yīng)用 。 IPPC 還支持電動汽車中電池供電型直流/直流系統(tǒng)的寬輸入電壓應(yīng)用 。LEV 正從 12V 到 36V 的低壓電池組過渡到 48V 甚至高于 96V 的更高電壓，從而更大限度地擴大續(xù)航里程。

支持寬輸出電壓范圍，工程師能夠 設(shè)計 LLC 轉(zhuǎn)換器 ，避免在電池電壓較低時進入突發(fā)模式，從而 延長電池壽命 。在調(diào)優(yōu)突發(fā)模式性能穩(wěn)定性時， IPPC 還會縮短開發(fā)時間 。 UCC25661-Q1 中的 IPPC 能大幅降低控制器的供電開關(guān)頻率，從而能突破 LLC 控制律的傳統(tǒng)限制。這樣做可以讓工程師避免在車內(nèi)和車外電池應(yīng)用中出現(xiàn)不必要的過載保護。

當(dāng)禁用功率因數(shù)校正而不觸發(fā)過載功率限制時， IPPC 還能更有效地提供功率 ?；旌贤话l(fā)模式不僅可以更大限度地降低可聽得見的噪聲，還可以改善輕負載和空載性能，這對于防止電池耗盡非常重要。

UCC25661-Q1 具有強大的保護功能 ，例如預(yù)偏置啟動、軟啟動和電容區(qū)規(guī)避功能，這些功能有助于實現(xiàn)高度可靠的電源設(shè)計。

UCC25661-Q1 的 自適應(yīng)軟啟動功能可穩(wěn)定并緩慢斜升其電源電壓 ，從而使連接到 VDD 引腳的電容器在啟動之前充滿電，并保護電源免受過大的浪涌電流的影響。

根據(jù)負載條件，使用 LLC 控制器的電源轉(zhuǎn)換器可在電容或諧振區(qū)域工作。在電容區(qū)運行可能會對功率級造成災(zāi)難性損壞。雖然大多數(shù) LLC 控制器在檢測到電容區(qū)運行情況后可以停止運行，但 UCC25661-Q1 具有電容區(qū)規(guī)避功能，可終止柵極驅(qū)動，從而防止損壞 。

電動汽車依靠 LLC 拓撲等隔離式電源拓撲的改進和 IPPC 等控制方法來定義直流/直流轉(zhuǎn)換器，支持下一代架構(gòu)?；?nbsp;UCC25661-Q1 LLC 控制器的隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器 可在相同或更小的外形尺寸內(nèi)更高效地提供功率，同時保持性能 。