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高级工程师对LLC谐振变换器的一些理解

开关电源研习社 来源:未知 2019-06-16 09:53 次阅读

最近在做有关LLC的项目,不过我做的都是DCDC,而且输入范围比较宽,单级的LLC优势并不大,所以通常在前面加一级BUCK或BOOST用来保证输入到后级LLC的是定电压。现在工业领域应用最广泛的两种拓扑就是PSFB和LLC了,这两种拓扑都能实现软开关,软开关的实现不仅能提高效率,最重要的是能很好的解决应力问题。

要了解LLC,就要先了解软开关。对于普通的拓扑而言,在开关管开关时,MOSFET 的DS 间的电压与电流产生交叠,因此产生开关损耗。如下图所示:

为了减小开关时的交叠,人们提出了零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)两种软开关的方法。对于ZCS:使开关管的电流在开通时保持在零,在关断前使电流降到零。对于ZVS:使开关管的电压在开通前降到零在关断时保持为零。

谐振变换器分为全谐振变换器,准谐振变换器,零开关PWM 变换器和零转换PWM 变换器。全谐振变换器的谐振元件一直谐振工作,而准谐振变换器的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段,不是全程参与。零开关PWM 变换器是在准谐振的基础上加入一个辅助开关管,来控制谐振元件的谐振过程。零转换PWM 变换器的辅助谐振电路只是在开关管开关时工作一段时间,其它时间则停止工作。

全谐振变换器主要由开关网络和谐振槽路组成,它使得流过开关管的电流变为正弦而不是方波,然后设法使开关管在某一时刻导通,实现零电压或零电流开关。

对于LLC 而言,通常让开关管在电流为负时导通。在导通前,电流从开关管的体内二极管流过,开关管D-S 之间电压被箝位在0V(忽略二极管压降),此时开通二极管,可以实现零电压开通;在关断前,由于D-S 间的电容电压为0v 而且不能突变,因此也近似于零电压关断。

从上面的分析可以看出,要实现零电压开关,开关管的电压必须滞后于电流。因此必须使谐振槽路始终工作在感性状态。

对于LLC,其变压器可以等效为激磁电感与理想变压器的并联。当工作在重载的情况下的时候,由漏感,谐振电容和负载构成串联谐振回路。

谐振频率为:

当LLC 工作在空载的时候,由漏感,激磁电感和谐振电容构成串联谐振回路。

谐振频率为:

从上面我们可以看到在空载时的谐振频率要低于带载时的谐振频率。从其本质上看,LLC 电路实际上就是有两个谐振点的串联谐振电路。

对于谐振电路而言,要使其呈现感性状态,必须使外加激励的频率高于谐振频率。

因此对于LLC,其最小开关频率不能低于fR2. 从开关频率与谐振频率的关系来看,LLC的工作状态分为fs=fR1, fs>fR1,fR2

LLC 变换器最关键的LLC 谐振槽路的设计。对于半桥网络,只提供一个频率可变,50%占空比的方波激励。对于理想变压器和输出整流网络,其增益是固定不变的。因此为了更好的研究LLC 谐振槽路的特性及设计,我们需要简化LLC 谐振槽路的输入输出模型。对于谐振槽路,起主导作用的是激励的基波成分。因此我们用基波等效(FHA)来等效输入模型。

一般来说,LLC 谐振拓扑包括三部分,方波发生器,谐振网络和整流器网络。

我们的设计工作主要是在谐振网络,谐振网络可以过滤掉高次谐波电流。

因此,即使方波电压作用于谐振网络,基本上也只有正弦电流流经谐振网络。谐振电流滞后于施加于谐振网络的电压,也就是说方波电压的基波施加到半桥上,这允许零电压开启原边开关管。LLC的谐振网络可以等效成下图。

Req 为折算到原边的负载,其值为:

该网络的品质因数为:

可推导出Cr、Lr 的串联等效阻抗Zr 为:

谐振网络的输入阻抗为:

交流等效电路的传递函数H(s)为:

令k=Lr/Lm,fn=f/fr,可得到:

最后可得到变换器的直流输出增益为:

根据上面的归一化增益公式,我们可以得到不同的Q 对应的增益曲线,也就是平常所熟知的Q 值曲线。

从曲线上可以看到:

1、对应于不同的Q 值曲线,其曲线顶点的右侧为ZVS 区域,左侧为ZCS 区域。

2、所有的Q 值曲线在谐振频率处的增益为1.也就是说在fs=fr1 这一点,LLC 变化器的工作状态与负载无关。这也正是我们所希望的。通常情况下我们将这一点选定为正常输入电压时的工作点。但是由于线路压降等原因,实际中不太可能刚好工作在这一点。

我们如何去理解这个Q 值曲线呢?

当我们的输入和输出电压固定的时候,并且变压器变比固定的时候,根据上面的公式,我们是可以得到一个固定的我们所需要的谐振槽路的增益M。当对应于某一个输入电压时,我们需要谐振槽路提供的增益为Mx.我们可以在Q 值曲线上画一条Mx 的直线,Mx 这条直线和Q 值曲线相交的点,就是LLC 在不同负载下的工作点。

从图上我们可以看到,当负载增大时,Q 值也增大,Q 值曲线左移,Q 值曲线与Mx 相交点的频率是降低的。因此我们可以看到当负载增加的时候,LLC 的工作频率是减小的。从物理意义上来讲,当负载阻抗Req 减小的时候,Lr 与Cr 构成的串联谐振回路上的阻抗也要减小,以维持Req 上得到的分压不变。只有通过降低频率才能使Lr 和Cr 构成的串联阻抗减小。因此,当负载加重时,LLC 的开关频率是减小的;当负载减轻的时候,LLC的开关频率是增大的。

从上面的分析我们可以看到,当输入输出电压,负载以及变压器变比确定的时候,LLC 的开关频率就确定了,也就是LLC 的工作点是确定的了。

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原文标题:浅谈一下我对LLC谐振变换器的理解

文章出处:【微信号:gh_c09253ac0c9c,微信公众号:开关电源研习社】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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