很完整的LLC原理講解,電源工程師收藏有用!
發(fā)布時(shí)間:2019-11-06 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】與傳統(tǒng)PWM(脈寬調(diào)節(jié))變換器不同,LLC是一種通過(guò)控制開關(guān)頻率(頻率調(diào)節(jié))來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路。它的優(yōu)點(diǎn)是:實(shí)現(xiàn)原邊兩個(gè)主MOS開關(guān)的零電壓開通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS),通過(guò)軟開關(guān)技術(shù),可以降低電源的開關(guān)損耗,提高功率變換器的效率和功率密度。
與傳統(tǒng)PWM(脈寬調(diào)節(jié))變換器不同,LLC是一種通過(guò)控制開關(guān)頻率(頻率調(diào)節(jié))來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路。它的優(yōu)點(diǎn)是:實(shí)現(xiàn)原邊兩個(gè)主MOS開關(guān)的零電壓開通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS),通過(guò)軟開關(guān)技術(shù),可以降低電源的開關(guān)損耗,提高功率變換器的效率和功率密度。
學(xué)習(xí)并理解LLC,我們必須首先弄清楚以下兩個(gè)基本問(wèn)題:
1.什么是軟開關(guān);
2.LLC電路是如何實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的。
由于普通的拓?fù)潆娐返拈_關(guān)管是硬開關(guān)的,在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)MOS管的Vds電壓和電流會(huì)產(chǎn)生交疊,電壓與電流交疊的區(qū)域即MOS管的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。如圖所示:
為了降低開關(guān)管的開關(guān)損耗,提高電源的效率,有零電壓開關(guān)(ZVS) 和零電流開關(guān)(ZCS)兩種軟開關(guān)辦法。
1.零電壓開關(guān) (ZVS):開關(guān)管的電壓在導(dǎo)通前降到零,在關(guān)斷時(shí)保持為零。
2.零電流開關(guān)(ZCS):使開關(guān)管的電流在導(dǎo)通時(shí)保持在零,在關(guān)斷前使電流降到零。
由于開關(guān)損耗與流過(guò)開關(guān)管的電流和開關(guān)管上的電壓的成績(jī)(V*I)有關(guān),當(dāng)采用零電壓ZVS導(dǎo)通時(shí),開關(guān)管上的電壓幾乎為零,所以導(dǎo)通損耗非常低。
● Vin為直流母線電壓,S1,S2為主開關(guān)MOS管(其中Sc1和Sc2分別為MOS管S1和S2的結(jié)電容,并聯(lián)在Vds上的二極管分別為MOS管S1和S2的體二極管),一起受控產(chǎn)生方波電壓;
● 諧振電容Cr 、諧振電桿Lr 、 勵(lì)磁電桿Lm一起構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò);
● np,ns為理想變壓器原副邊線圈;
● 二極管D1, 二極管D2,輸出電容Co一起構(gòu)成輸出整流濾波網(wǎng)絡(luò)。
那么LLC電路是怎么實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的呢?
要實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),開關(guān)管的電流必須滯后于電壓,使諧振槽路工作在感性狀態(tài)。
LLC 開關(guān)管在導(dǎo)通前,電流先從開關(guān)MOS管的體二極管(S到D)內(nèi)流過(guò),開關(guān)MOS管D-S之間電壓被箝位在接近0V(二極管壓降),此時(shí)讓開關(guān)MOS管導(dǎo)通,可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通;在關(guān)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(guān)斷(實(shí)際也為硬關(guān)斷)。
那什么是諧振呢?我們不妨先看看電感和電容的基本特性:
與電阻不同,電感和電容都不是純阻性線性器件,電感的感抗XL和電容的容抗Xc都與頻率有關(guān),當(dāng)加在電感和電容上的頻率發(fā)生變化時(shí),它們的感抗XL和容抗Xc會(huì)發(fā)生變化。
1、如下圖RL電路,當(dāng)輸入源Vin的頻率增加時(shí),電感的感抗增大,輸出電壓減小,增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而減小。
2、如下圖RC電路,相反,當(dāng)輸入源Vin的頻率增加時(shí),電容的容抗減小,輸出電壓增大,增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加。
下面我們分析一下LC諧振電路的特性:
如圖,當(dāng)我們將L和C都引入電路中發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入電壓源的頻率從0開始向某一頻率增加時(shí),LC電路呈容性(容抗>感抗),增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加,當(dāng)從這一頻率再向右邊增加時(shí),LC電路呈感性(感抗>容抗),增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而降低。這一頻率即為諧振頻率(此時(shí)感抗=容抗,XL=Xc=ωL=1/ωC),諧振時(shí)電路呈純電阻性,增益最大。
諧振條件:感抗=容抗,XL=Xc=ωL=1/ωC
諧振頻率:fo
那么諧振有什么作用呢?
控制讓諧振電路發(fā)生諧振,有三個(gè)參數(shù)可以調(diào)節(jié)。由于L和C的大小不方便調(diào)節(jié),通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓源的頻率,可以使L、C的相位相同,整個(gè)電路呈現(xiàn)為純電阻性,諧振時(shí),電路的總阻抗達(dá)到或近似達(dá)到極值。利用諧振的特征控制電路工作在合適的工作點(diǎn)上,同時(shí)又要避免工作在不合適的點(diǎn)上而產(chǎn)生危害。
LLC穩(wěn)定輸出電壓原理:
將LLC電路等效分析,得到i如下簡(jiǎn)化電路。當(dāng)交流等效負(fù)載Rac變化時(shí),系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整工作頻率,改變Zr 和Zo的分壓比,使得輸出電壓穩(wěn)定,LLC就是這樣穩(wěn)定輸出電壓的。
對(duì)LLC來(lái)說(shuō),有兩個(gè)諧振頻率,一個(gè)諧振頻率fo是利用諧振電感Lr諧振電容Cr組成;
另一個(gè)一個(gè)諧振頻率fr1是利用諧振電感Lr,勵(lì)磁電感Lm,諧振電容Cr一起組成;
再來(lái)看一份更為詳細(xì)的LLC工作模態(tài)分析:
開關(guān)網(wǎng)絡(luò):S1、S2及其內(nèi)部寄生二極管Ds1Ds2、寄生電容Cds1Cds2;
諧振網(wǎng)絡(luò):諧振電容Cr 、串聯(lián)諧振電感Lr 、并聯(lián)諧振電感 Lm;
中心抽頭變壓器(匝比為n:1:1),副邊整流二極管 D1、D2;
輸出濾波電容Co (忽略電容的ESR),負(fù)載 Ro。
1.1 LLC變換器的模態(tài)分析
對(duì)于LLC電路,存在兩個(gè)諧振頻率:
1.1.1 工作區(qū)域2(fr2<f<fr1) 模態(tài)1
1.1.2 工作區(qū)域2(fr2<f<fr1) 模態(tài)2
1.1.3 工作區(qū)域2(fr2<f<fr1) 模態(tài)3
1.1.4 工作區(qū)域2(fr2<f<fr1) 模態(tài)4
1.1.5 工作區(qū)域2(fr2<f<fr1) 模態(tài)5
1.2 f=fr1 情況下的波形圖
1.3 f>fr1情況下的模態(tài)分析
1.3.1工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)1
1.3.2工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)2
1.3.3工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)3
1.3.4 工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)4
總結(jié):開關(guān)頻率fr2<f<fr1時(shí),且諧振網(wǎng)絡(luò)工作在感性區(qū)域時(shí),LLC變換器原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS,且流過(guò)輸出整流二極管的電流工作在斷續(xù)模式,整流二極管實(shí)現(xiàn)ZCS,消除了因二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗;
開關(guān)頻率f=fr1時(shí), LLC諧振變換器工作在完全諧振狀態(tài),原邊開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)ZVS,整流二極管工作在臨界電流模式,此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)整流二極管的ZCS,消除了因二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗;
開關(guān)頻率f>fr1時(shí), LLC諧振變換器原邊開關(guān)管在任何負(fù)載下都可以實(shí)現(xiàn)ZVS,但是變壓器勵(lì)磁電感由于始終被輸出電壓所鉗位,因此,只有 Lr、Cr 發(fā)生串聯(lián)諧振,而 Lm在整個(gè)開關(guān)過(guò)程中都不參與串聯(lián)諧振,且此時(shí)輸出整流二極管工作在電流連續(xù)模式,整流二極管不能實(shí)現(xiàn)ZCS,會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗。
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