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【瑞森課堂】資深電源工程師分享:LLC原理詳細講解

作者:未知 發布日期:2021-01-28

與傳統PWM(脈寬調節)變換器不同,LLC是壹種通過控制開關頻率(頻率調節)來實現輸出電壓恒定的諧振電路。它的優點是:實現原邊兩個主MOS開關的零電壓開通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關斷(ZCS),通過軟開關技術,可以降低電源的開關損耗,提高功率變換器的效率和功率密度。


學習並理解LLC,我們必須首先弄清楚以下兩個基本問題: 1.什麽是軟開關;2.LLC電路是如何實現軟開關的。
由於普通的拓撲電路的開關管是硬開關的,在導通和關斷時MOS管的Vds電壓和電流會產生交疊,電壓與電流交疊的區域即MOS管的導通損耗和關斷損耗。
如圖所示:
為了降低開關管的開關損耗,提高電源的效率,有零電壓開關(ZVS) 和零電流開關(ZCS)兩種軟開關辦法。
1.零電壓開關 (ZVS):開關管的電壓在導通前降到零,在關斷時保持為零。
2.零電流開關(ZCS):使開關管的電流在導通時保持在零,在關斷前使電流降到零。

由於開關損耗與流過開關管的電流和開關管上的電壓的成績(V*I)有關,當采用零電壓ZVS導通時,開關管上的電壓幾乎為零,所以導通損耗非常低。

● Vin為直流母線電壓,S1,S2為主開關MOS管(其中Sc1和Sc2分別為MOS管S1和S2的結電容,並聯在Vds上的二極管分別為MOS管S1和S2的體二極管),壹起受控產生方波電壓;

● 諧振電容Cr 、諧振電桿Lr 、 勵磁電桿Lm壹起構成諧振網絡;

● 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壹起構成輸出整流濾波網絡。
那麽LLC電路是怎麽實現軟開關的呢?
要實現零電壓開關,開關管的電流必須滯後於電壓,使諧振槽路工作在感性狀態。

LLC 開關管在導通前,電流先從開關MOS管的體二極管(S到D)內流過,開關MOS管D-S之間電壓被箝位在接近0V(二極管壓降),此時讓開關MOS管導通,可以實現零電壓導通;在關斷前,由於D-S 間的電容電壓為0V而且不能突變,因此也近似於零電壓關斷(實際也為硬關斷)。

那什麽是諧振呢?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,當加在電感和電容上的頻率發生變化時,它們的感抗XL和容抗Xc會發生變化。

1、如下圖RL電路,當輸入源Vin的頻率增加時,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,當輸入源Vin的頻率增加時,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。

下面我們分析壹下LC諧振電路的特性:
如圖,當我們將L和C都引入電路中發現,當輸入電壓源的頻率從0開始向某壹頻率增加時,LC電路呈容性(容抗>感抗),增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加,當從這壹頻率再向右邊增加時,LC電路呈感性(感抗>容抗),增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而降低。這壹頻率即為諧振頻率(此時感抗=容抗,XL=Xc=ωL=1/ωC),諧振時電路呈純電阻性,增益最大。
諧振條件:感抗=容抗,XL=Xc=ωL=1/ωC
諧振頻率:fo

那么谐振有什么作用呢?
控制让谐振电路发生谐振,有三个参数可以调节。由于L和C的大小不方便调节,通过调节输入电压源的频率,可以使L、C的相位相同,整个电路呈现为纯电阻性,谐振时,电路的总阻抗达到或近似达到极值。利用谐振的特征控制电路工作在合适的工作点上,同时又要避免工作在不合适的点上而产生危害。
LLC稳定输出电压原理:
将LLC电路等效分析,得到i如下简化电路。当交流等效负载Rac变化时,系统通过调整工作频率,改变Zr 和Zo的分压比,使得输出电压稳定,LLC就是这样稳定输出电压的。

对LLC来说,有两个谐振频率,一个谐振频率fo是利用谐振电感Lr谐振电容Cr组成;
另一个一个谐振频率fr1是利用谐振电感Lr,励磁电感Lm,谐振电容Cr一起组成;

再来看一份更为详细的LLC工作模态分析:

开关网络:S1、S2及其内部寄生二极管Ds1\Ds2、寄生电容Cds1\Cds2;谐振网络:谐振电容Cr 、串联谐振电感Lr 、并联谐振电感 Lm;中心抽头变压器(匝比为n:1:1),副边整流二极管 D1、D2;输出滤波电容Co (忽略电容的ESR),负载 Ro。
1.1 LLC变换器的模态分析

对于LLC电路,存在两个谐振频率:1.1.1 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态1

1.1.2 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态2
1.1.3 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态31.1.4 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态41.1.5 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态5
1.2 f=fr1 情况下的波形图

1.3 f>fr1情况下的模态分析
1.3.1工作区域1(f>fr1) 模态1

1.3.2工作区域1(f>fr1) 模态2

1.3.3工作区域1(f>fr1) 模态3

1.3.4 工作区域1(f>fr1) 模态4

总结:开关频率fr2<f<fr1时,且谐振网络工作在感性区域时,LLC变换器原边开关管实现ZVS,且流过输出整流二极管的电流工作在断续模式,整流二极管实现ZCS,消除了因二极管反向恢复所产生的损耗;
开关频率f=fr1时, LLC谐振变换器工作在完全谐振状态,原边开关管可以实现ZVS,整流二极管工作在临界电流模式,此时可以实现整流二极管的ZCS,消除了因二极管反向恢复所产生的损耗;
开关频率f>fr1时, LLC谐振变换器原边开关管在任何负载下都可以实现ZVS,但是变压器励磁电感由于始终被输出电压所钳位,因此,只有 Lr、Cr 发生串联谐振,而 Lm在整个开关过程中都不参与串联谐振,且此时输出整流二极管工作在电流连续模式,整流二极管不能实现ZCS,会产生反向恢复损耗。
 
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