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高級工程師對LLC諧振變換器的一些理解

開關電源研習社 ? 來源:未知 ? 2019-06-16 09:53 ? 次閱讀

最近在做有關LLC的項目,不過我做的都是DCDC,而且輸入范圍比較寬,單級的LLC優(yōu)勢并不大,所以通常在前面加一級BUCK或BOOST用來保證輸入到后級LLC的是定電壓。現(xiàn)在工業(yè)領域應用最廣泛的兩種拓撲就是PSFB和LLC了,這兩種拓撲都能實現(xiàn)軟開關,軟開關的實現(xiàn)不僅能提高效率,最重要的是能很好的解決應力問題。

要了解LLC,就要先了解軟開關。對于普通的拓撲而言,在開關管開關時,MOSFET 的DS 間的電壓與電流產(chǎn)生交疊,因此產(chǎn)生開關損耗。如下圖所示:

為了減小開關時的交疊,人們提出了零電流開關(ZCS)和零電壓開關(ZVS)兩種軟開關的方法。對于ZCS:使開關管的電流在開通時保持在零,在關斷前使電流降到零。對于ZVS:使開關管的電壓在開通前降到零在關斷時保持為零。

諧振變換器分為全諧振變換器,準諧振變換器,零開關PWM 變換器和零轉換PWM 變換器。全諧振變換器的諧振元件一直諧振工作,而準諧振變換器的諧振元件只參與能量變換的某一個階段,不是全程參與。零開關PWM 變換器是在準諧振的基礎上加入一個輔助開關管,來控制諧振元件的諧振過程。零轉換PWM 變換器的輔助諧振電路只是在開關管開關時工作一段時間,其它時間則停止工作。

全諧振變換器主要由開關網(wǎng)絡和諧振槽路組成,它使得流過開關管的電流變?yōu)檎叶皇欠讲ǎ缓笤O法使開關管在某一時刻導通,實現(xiàn)零電壓或零電流開關。

對于LLC 而言,通常讓開關管在電流為負時導通。在導通前,電流從開關管的體內(nèi)二極管流過,開關管D-S 之間電壓被箝位在0V(忽略二極管壓降),此時開通二極管,可以實現(xiàn)零電壓開通;在關斷前,由于D-S 間的電容電壓為0v 而且不能突變,因此也近似于零電壓關斷。

從上面的分析可以看出,要實現(xiàn)零電壓開關,開關管的電壓必須滯后于電流。因此必須使諧振槽路始終工作在感性狀態(tài)。

對于LLC,其變壓器可以等效為激磁電感與理想變壓器的并聯(lián)。當工作在重載的情況下的時候,由漏感,諧振電容和負載構成串聯(lián)諧振回路。

諧振頻率為:

當LLC 工作在空載的時候,由漏感,激磁電感和諧振電容構成串聯(lián)諧振回路。

諧振頻率為:

從上面我們可以看到在空載時的諧振頻率要低于帶載時的諧振頻率。從其本質(zhì)上看,LLC 電路實際上就是有兩個諧振點的串聯(lián)諧振電路。

對于諧振電路而言,要使其呈現(xiàn)感性狀態(tài),必須使外加激勵的頻率高于諧振頻率。

因此對于LLC,其最小開關頻率不能低于fR2. 從開關頻率與諧振頻率的關系來看,LLC的工作狀態(tài)分為fs=fR1, fs>fR1,fR2

LLC 變換器最關鍵的LLC 諧振槽路的設計。對于半橋網(wǎng)絡,只提供一個頻率可變,50%占空比的方波激勵。對于理想變壓器和輸出整流網(wǎng)絡,其增益是固定不變的。因此為了更好的研究LLC 諧振槽路的特性及設計,我們需要簡化LLC 諧振槽路的輸入輸出模型。對于諧振槽路,起主導作用的是激勵的基波成分。因此我們用基波等效(FHA)來等效輸入模型。

一般來說,LLC 諧振拓撲包括三部分,方波發(fā)生器,諧振網(wǎng)絡和整流器網(wǎng)絡。

我們的設計工作主要是在諧振網(wǎng)絡,諧振網(wǎng)絡可以過濾掉高次諧波電流。

因此,即使方波電壓作用于諧振網(wǎng)絡,基本上也只有正弦電流流經(jīng)諧振網(wǎng)絡。諧振電流滯后于施加于諧振網(wǎng)絡的電壓,也就是說方波電壓的基波施加到半橋上,這允許零電壓開啟原邊開關管。LLC的諧振網(wǎng)絡可以等效成下圖。

Req 為折算到原邊的負載,其值為:

該網(wǎng)絡的品質(zhì)因數(shù)為:

可推導出Cr、Lr 的串聯(lián)等效阻抗Zr 為:

諧振網(wǎng)絡的輸入阻抗為:

交流等效電路的傳遞函數(shù)H(s)為:

令k=Lr/Lm,fn=f/fr,可得到:

最后可得到變換器的直流輸出增益為:

根據(jù)上面的歸一化增益公式,我們可以得到不同的Q 對應的增益曲線,也就是平常所熟知的Q 值曲線。

從曲線上可以看到:

1、對應于不同的Q 值曲線,其曲線頂點的右側為ZVS 區(qū)域,左側為ZCS 區(qū)域。

2、所有的Q 值曲線在諧振頻率處的增益為1.也就是說在fs=fr1 這一點,LLC 變化器的工作狀態(tài)與負載無關。這也正是我們所希望的。通常情況下我們將這一點選定為正常輸入電壓時的工作點。但是由于線路壓降等原因,實際中不太可能剛好工作在這一點。

我們?nèi)绾稳ダ斫膺@個Q 值曲線呢?

當我們的輸入和輸出電壓固定的時候,并且變壓器變比固定的時候,根據(jù)上面的公式,我們是可以得到一個固定的我們所需要的諧振槽路的增益M。當對應于某一個輸入電壓時,我們需要諧振槽路提供的增益為Mx.我們可以在Q 值曲線上畫一條Mx 的直線,Mx 這條直線和Q 值曲線相交的點,就是LLC 在不同負載下的工作點。

從圖上我們可以看到,當負載增大時,Q 值也增大,Q 值曲線左移,Q 值曲線與Mx 相交點的頻率是降低的。因此我們可以看到當負載增加的時候,LLC 的工作頻率是減小的。從物理意義上來講,當負載阻抗Req 減小的時候,Lr 與Cr 構成的串聯(lián)諧振回路上的阻抗也要減小,以維持Req 上得到的分壓不變。只有通過降低頻率才能使Lr 和Cr 構成的串聯(lián)阻抗減小。因此,當負載加重時,LLC 的開關頻率是減小的;當負載減輕的時候,LLC的開關頻率是增大的。

從上面的分析我們可以看到,當輸入輸出電壓,負載以及變壓器變比確定的時候,LLC 的開關頻率就確定了,也就是LLC 的工作點是確定的了。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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原文標題:淺談一下我對LLC諧振變換器的理解

文章出處:【微信號:gh_c09253ac0c9c,微信公眾號:開關電源研習社】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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