【導讀】與傳統(tǒng)PWM(脈寬調節(jié))變換器不同,LLC是一種通過控制開關頻率(頻率調節(jié))來實現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路。它的優(yōu)點是:實現(xiàn)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。
與傳統(tǒng)PWM(脈寬調節(jié))變換器不同,LLC是一種通過控制開關頻率(頻率調節(jié))來實現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路。它的優(yōu)點是:實現(xiàn)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。
學習并理解LLC,我們必須首先弄清楚以下兩個基本問題:
1.什么是軟開關;
2.LLC電路是如何實現(xiàn)軟開關的。
由于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(qū)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。
由于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,并聯(lián)在Vds上的二極管分別為MOS管S1和S2的體二極管),一起受控產生方波電壓;
● 諧振電容Cr 、諧振電桿Lr 、 勵磁電桿Lm一起構成諧振網(wǎng)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一起構成輸出整流濾波網(wǎng)絡。
那么LLC電路是怎么實現(xiàn)軟開關的呢?
要實現(xiàn)零電壓開關,開關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(xiàn)零電壓導通;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(實際也為硬關斷)。
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,當加在電感和電容上的頻率發(fā)生變化時,它們的感抗XL和容抗Xc會發(fā)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。
下面我們分析一下LC諧振電路的特性:
如圖,當我們將L和C都引入電路中發(fā)現(xiàn),當輸入電壓源的頻率從0開始向某一頻率增加時,LC電路呈容性(容抗>感抗),增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加,當從這一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。這一頻率即為諧振頻率(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
那么諧振有什么作用呢?
控制讓諧振電路發(fā)生諧振,有三個參數(shù)可以調節(jié)。由于L和C的大小不方便調節(jié),通過調節(jié)輸入電壓源的頻率,可以使L、C的相位相同,整個電路呈現(xiàn)為純電阻性,諧振時,電路的總阻抗達到或近似達到極值。利用諧振的特征控制電路工作在合適的工作點上,同時又要避免工作在不合適的點上而產生危害。
LLC穩(wěn)定輸出電壓原理:
將LLC電路等效分析,得到i如下簡化電路。當交流等效負載Rac變化時,系統(tǒng)通過調整工作頻率,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LLC來說,有兩個諧振頻率,一個諧振頻率fo是利用諧振電感Lr諧振電容Cr組成;
另一個一個諧振頻率fr1是利用諧振電感Lr,勵磁電感Lm,諧振電容Cr一起組成;
再來看一份更為詳細的LLC工作模態(tài)分析:
開關網(wǎng)絡:S1、S2及其內部寄生二極管Ds1Ds2、寄生電容Cds1Cds2;
諧振網(wǎng)絡: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),負載 Ro。
1.1 LLC變換器的模態(tài)分析
對于LLC電路,存在兩個諧振頻率:
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:開關頻率fr2<f<fr1時,且諧振網(wǎng)絡工作在感性區(qū)域時,LLC變換器原邊開關管實現(xiàn)ZVS,且流過輸出整流二極管的電流工作在斷續(xù)模式,整流二極管實現(xiàn)ZCS,消除了因二極管反向恢復所產生的損耗;
開關頻率f=fr1時, LLC諧振變換器工作在完全諧振狀態(tài),原邊開關管可以實現(xiàn)ZVS,整流二極管工作在臨界電流模式,此時可以實現(xiàn)整流二極管的ZCS,消除了因二極管反向恢復所產生的損耗;
開關頻率f>fr1時, LLC諧振變換器原邊開關管在任何負載下都可以實現(xiàn)ZVS,但是變壓器勵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在整個開關過程中都不參與串聯(lián)諧振,且此時輸出整流二極管工作在電流連續(xù)模式,整流二極管不能實現(xiàn)ZCS,會產生反向恢復損耗。