在电子电路设计中,谐振转换器的运行状态相较于脉宽调制转换器更为复杂。以电感 - 电感 - 电容 - 串联谐振转换器(LLC - SRC)为例,在给定的负载条件以及开关频率(fsw)相对位置和串联谐振频率(fr)下,常规 LLC - SRC 设计存在四种常见状态。

当 fsw < fr 时,整流二极管电流在有源开关(Q1 或 Q2)关断前变为零。因此,将金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)用作整流器(即 SR)时,SR 必须关断且占空比小于 50%,否则整流器电流会回流,过大的循环电流将影响转换器效率。在 fsw < fr 时,重负载下的整流器电流传导时间实际上为 0.5/fr。所以在这种情况下,可以将重负载下的 SR 导通时间限制为略小于 0.5/fr,并在较轻负载下禁用 SR。然而,这种开环 SR 控制方法无法实现转换器效率的优化。

更可靠的 SR 控制方法是通过 MOSFET 漏源电压(VDS)检测。此方法会将 MOSFET VDS 与两个不同的电压阈值进行比较,以导通和关断 MOSFET。一些较新的 VDS 检测 SR 控制器,如德州仪器(TI)的 UCC24624,甚至还有第三个电压阈值来激活比例栅极驱动器,从而以极小的延迟快速关闭 SR。需要注意的是,电压阈值均为毫伏级,这就需要高精度检测电路。因此,VDS 检测方法通常借助集成电路来实现,不过集成电路存在 VDS 电平(通常小于 200V)和 fsw 限制(通常小于 400kHz)。由于 VDS 检测 SR 控制方法存在局限性,对于高压和高频谐振转换器的 SR 导通优化,需要采用不同的 SR 控制方法。

在 Rogowski 线圈后面使用积分器和比较器是控制高频谐振转换器 SR 的另一种有效方法。带绕组的空芯线圈(Rogowski 线圈)放置在变压器绕组上用于电流检测。当时变电流流经线圈时,电流生成的磁通量会在线圈绕组上感应出电压,该感应电压与原始时变电流相比具有 90 度的相位差。在 Rogowski 线圈之后添加积分器,可以产生同相电压,甚至超前原始时变电流。这样就能将积分器输出的电压过零点设置为略早于时变电流的过零点,以适应可能的传播和控制延迟。然后将放大的积分器输出信号与给定的比较器阈值进行比较,从而生成具有近乎优化的 SR 导通时间的 SR 驱动信号。在控制电路中插入额外的斜率检测逻辑,可在不同负载条件下进一步优化 SR 传导时间。由于 Rogowski 线圈通过磁通量检测电流,不存在电压电平限制,且使用空芯而非磁芯材料,其带宽非常高且没有饱和限制,所以与 VDS 检测 SR 控制方法不同,即使在兆赫级谐振转换器上也不存在频率限制问题。

为了更清晰地理解如何调整无源积分器和放大器的相位差,假设时变电流是纯正弦,这将使 Rogowski 线圈输出电压和积分器输出为纯正弦。通过合理设置 R1、R2、C1 和 fsw(ω = 2πfsw)的值,并正确连接 Rogowski 线圈输出和积分器输入的极性,积分器输出 v2_0 (t) 可以与 SR 电流 i (t) 同相。在实际应用中,还可以设置积分器波形以引导 SR 电流,这样在控制器和驱动器分别有响应时间和传播延迟的情况下,SR 关断时序仍能达到零电流电流过零点。

从检测电路的绕组电流测量值和增益放大器输出电压可以看出,将零电压电流过零点编程为比实际检测电流更早关断,能够调节传播和控制延迟。图 7 展示了开关频率低于串联谐振频率时的理想 SR 关断时序。
