DHH带你深入浅出LLC13

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热设计与可靠性——让LLC长期稳定运行

LLC的效率虽然高，但损耗仍然存在，且集中在少数元件上。热设计的目标是确保所有元件在最恶劣条件下不超过其温度额定值，并留有足够的可靠性裕量。

13.1 LLC的损耗分布

以480W LLC为例，效率96%，总损耗约20W。损耗分布大致如下：

• 原边MOSFET：导通损耗+开关损耗，约5W
• 副边整流：导通损耗，约6W（如果使用二极管）
• 变压器：铜损+铁损，约5W
• 谐振电感：铜损+铁损，约2W
• 驱动电路、控制电路：约1W
• 其他（PCB走线、电容ESR等）：约1W
  
  

如果使用同步整流，副边损耗可以降到2W以下，总损耗降到16W，效率提升到96.7%。

13.2 原边MOSFET的损耗

导通损耗：

Pcond = Irms² · Rds(on) · D

其中Irms为谐振电流有效值，Rds(on)为MOSFET导通电阻，D为占空比（半桥中每个管子导通半个周期，D=0.5）。以Irms=2.6A、Rds(on)=0.2Ω为例，Pcond = 2.6²×0.2×0.5 ≈ 0.68W（每管）。

开关损耗：

ZVS开通时，开通损耗几乎为零。但关断损耗仍然存在：

Psw = 0.5 · Vin · Ioff · tfall · fs

其中Ioff为关断时的电流，tfall为下降时间。由于ZVS，Ioff较小（主要是励磁电流），关断损耗通常在0.5W以下。

Coss损耗：ZVS条件下，Coss的能量在死区期间被谐振电流回收，不产生损耗。但如果ZVS不完整，Coss能量会在开通时消耗。

驱动损耗：

Pdrive = Qg · Vgs · fs

其中Qg为栅极电荷，Vgs为驱动电压。以Qg=30nC、Vgs=12V、fs=150kHz为例，Pdrive = 30×10⁻⁹×12×150×10³ ≈ 0.054W。

13.3 副边整流的损耗

二极管：

Pdiode = Vf · Iout

以Vf=0.5V、Iout=10A为例，Pdiode = 5W。两个二极管各导通半个周期，总损耗仍为5W（因为每个二极管的平均电流为5A，但压降相同）。

同步整流：

Psr = Irms_sec² · Rds(on)_sr

以Irms_sec=10.5A、Rds(on)_sr=5mΩ为例，Psr = 10.5²×0.005 ≈ 0.55W（每管），总损耗约1.1W，远低于二极管。

13.4 变压器的损耗

铜损：

Pcu = Irms_pri² · Rac_pri + Irms_sec² · Rac_sec

其中Rac为交流电阻，需要考虑集肤效应和邻近效应。对于Litz线，Rac约为Rdc的1.2~1.5倍。

铁损：

Pfe = k · f^α · ΔB^β · Ve

其中k、α、β为材料常数（Steinmetz参数），Ve为磁芯体积。对于PC95材料，在150kHz、ΔB=0.2T时，铁损约为100mW/cm³。

13.5 散热设计

散热器选择：根据总损耗和允许温升计算热阻。例如，总损耗20W，允许温升60°C，则总热阻为3°C/W。考虑环境温度40°C，散热器热阻需要小于3°C/W。

自然冷却：适用于小功率（<100W），散热器热阻通常为5~10°C/W。

风冷：适用于中大功率，散热器热阻可以降到1~2°C/W。风扇的寿命和噪声需要考虑。

导热界面：MOSFET与散热器之间使用导热垫或导热硅脂，热阻约0.5~1°C/W。

13.6 可靠性设计

电容寿命：电解电容的寿命与温度密切相关，每升高10°C寿命减半。选择105°C额定电容，并远离热源。

元件降额：MOSFET电压降额到80%，电流降额到50%；二极管电压降额到80%，电流降额到70%；电容电压降额到80%。

热循环：焊点热循环会导致疲劳裂纹。大功率元件使用柔性引脚或增加焊盘面积。

保护功能：过温保护、过流保护、短路保护、过压保护，确保异常情况下不损坏。

13.7 一个热设计实例

以480W LLC为例，总损耗20W，环境温度40°C，允许结温125°C。

原边MOSFET：损耗5W，Rθjc=1°C/W，Rθcs=0.5°C/W，散热器Rθsa=2°C/W。结温Tj = 40 + 5×(1+0.5+2) = 57.5°C，满足要求。

副边二极管：损耗6W，Rθjc=2°C/W，Rθcs=0.5°C/W，散热器Rθsa=3°C/W。Tj = 40 + 6×(2+0.5+3) = 73°C，满足要求。

变压器：损耗5W，表面积100cm²，自然对流热阻约5°C/W。温升 = 5×5 = 25°C，环境40°C时表面温度65°C，满足绝缘等级要求。

bidezhi7777

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bitbite

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captain漠九

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