LLC- und LCC-resonante Topologien

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Eine hoch angesehene Topologie …

Die LLC-Topologie ist weithin als die vorteilhafteste für Schaltwandler im Leistungsbereich von 80–1000 W anerkannt und wird zunehmend in Anwendungen bis zu einigen Dutzend Kilowatt eingesetzt, wie etwa in Ladegeräten für Elektrofahrzeuge, da sie Vorteile in Bezug auf EMV, Wirkungsgrad, Abmessungen der magnetischen Komponenten des Resonanztanks und der Filter bietet.

Da die Kosten der magnetischen Komponenten im Großen und Ganzen proportional zu ihren Abmessungen sind, ergibt sich ein Kostenvorteil.

Weitere Informationen zu den Vorteilen der Resonanztopologien finden Sie hier.

… und eine weniger beliebte

Obwohl die LCC-Topologie in der Literatur häufig für einige Anwendungen empfohlen wird, ist sie weniger bekannt und wird seltener angewendet.
Im Vergleich zu LLC- benötigt die LCC-Topologie einen zusätzlichen Kondensator. Die übliche „LCC”-Definition ist de facto einschränkend: technisch gesehen wäre es angemessener, von „LLCC” zu sprechen.

Diese Resonanztopologie bietet dieselben Vorteile wie die oben beschriebene LLC-Topologie und ist darüber hinaus optimal für bestimmte, später beschriebene Anwendungen.

Allerdings stellt die Konstruktion einige Herausforderungen dar.

Typical LLC and LCC tank schematics

Typische Schaltpläne von LLC- und LCC-Tanks – Im Vergleich zu LLC benötigt LCC einen zusätzlichen Kondensator.

Noch mehr Effizienz: Integrierter Resonanztransformator

Durch Einsatz integrierter Resonanztransformatoren, die aufgrund der Streuinduktivität eine diskrete Resonanzspule überflüssig machen, sind noch größere Effizienz-, Abmessungs- und wirtschaftliche Vorteile möglich.

Zudem gibt es eine robuste und hohe Isolierung zwischen Eingang und Ausgang. Dies ist ein Nebeneffekt der Tatsache, dass die Primär- und Sekundärwicklungen in getrennten Abschnitten des Spulenkörpers untergebracht sind, was eine höhere Streuinduktivität erzeugt.

Dabei ist zu beachten, dass die Konstruktion von LLC- oder LCC-Tanks mit integriertem Transformator im Vergleich zu einem Tank mit nicht integriertem Transformator zusätzliche Komplikationen mit sich bringt. Das liegt daran, dass der Freiheitsgrad bei der Festlegung des Wertes der Resonanzinduktivität verloren geht.
Sie ist nämlich an einige Konstruktionsdetails des Transformators gebunden.

Hinzu kommt, dass die Anordnung der Wicklungen in einem integrierten Transformator von Natur aus eine Verteilung des Magnetfelds bewirkt, die im Vergleich zu einem herkömmlichen Transformator mehr Verluste mit sich bringt.

Doch diese beiden Aspekte können durch geeignete Optimierungsverfahren gelöst werden und machen den Einsatz des integrierten Transformators in jeder Hinsicht besser.

Comparison of the winding layouts in the traditional transformer and in the integrated transformer.

Beim integrierten Transformator befinden sich die Primär- und Sekundärwicklungen in getrennten Abschnitten des Spulenkörpers.

Ein Schwachpunkt: große Spannungsbereiche

Die Resonanztopologien zeigen ihre größte Schwäche bei Anwendungen, bei denen es zu großen Schwankungen der Eingangs- oder Ausgangsspannung kommt.

Bei richtiger Auslegung des Tanks kann die „Nullspannungsschaltung” auch bei recht großen Spannungsschwankungen aufrechterhalten werden. Dies bedeutet jedoch eine Verringerung der Vorteile im Vergleich zu anderen Topologien aufgrund der damit verbundenen negativen Kosten- und Leistungsauswirkungen.

Das Ausmaß dieser Auswirkung ist oft akzeptabel, aber es ist zu bedenken, dass sie ungefähr proportional mit der Vergrößerung des Spannungsbereichs zunimmt.

Oft werden wir beispielsweise gefragt, ob ein Verhältnis von 1:3 auf dem INPUT-Spannungsbereich (klassisch 90-265Vac) mit einem einstufigen Resonanzwandler und ohne Jumper effektiv unterstützt werden kann.
Die Antwort lautet NEIN: Um einen ähnlichen Eingangsspannungsbereich zu unterstützen, ist eine zweite Stufe erforderlich (Boost oder PFC, in der Tat oft von den Normen vorgeschrieben). Ansonsten muss ein kapazitiver Spannungsverdoppler am Eingang implementiert werden, was ebenfalls eine abnehmbare Steckbrücke erfordert, um vom 90–130-V-Bereich auf 190–265 V umzuschalten.

Anwendungen mit einem breiten OUTPUT-spannungsbereich sind etwas weniger kritisch. 1:3-Verhältnisse sind mit guten Ergebnissen erreichbar, wie in diesem Beispiel gezeigt: LLC-Tank mit 15…48Vdc_out, den wir im Jahr 2013 für NXP entwickelt haben.

In den nächsten Abschnitten zeigen wir Ihnen jedoch eine bessere Lösung.

Example circuit scheme showing how input extended range can be supported in a resonant converter.

Ein kapazitiver Spannungsverdoppler kann am Eingang implementiert werden, um den erweiterten Bereich zu unterstützen.

Kompromiss der LLC-Topologie

Für Anwendungen mit einem weiten Ausgangsspannungsbereich, wie etwa Netzteile für LED-Strings mit variabler Länge (auch mit Deep Dimming) oder Hochleistungs-Batterieladegeräte, ist die LCC-Topologie zweifellos am besten geeignet.

Es ist allgemein bekannt, dass die Entwicklung eines gut optimierten LLC-Tanks mit seinen gewickelten Komponenten nicht so trivial ist, wie gemeinhin angenommen wird, während die LCC-Topologie wesentlich teurer und zeitaufwändiger ist.
Durch den zusätzlichen Kondensator wechselt der Tank von der 3. zur 4. Ordnung, was unter anderem eine wesentlich höhere Rechenleistung für Simulationen und Optimierungsrechnungen erfordert.

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