LLC原理.docx
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LLC原理
LLC原理
LLC工作原理
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D-S间的电压与电流产生交叠,因此产生开关损耗。
如图所示。
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 首先我们来看一下当fs=fR1时的情况,此时LLC工作在完全谐振状态。 下面是当fs=fR1时的工作波形。 在t0时刻前。 上管Q1关断,下管Q2导通。 谐振电流通过Q2流通,变压器向副边传递能量,副边二极管D2导通向负载提供能量。 变压器原边被副边电压箝位,激磁电流线性上升。 由于fs=fR1,在t1时刻正好完成半个周期的谐振,谐振电流与激磁电流刚好相等。 变压器副边无电流,二极管D2自然关断,实现ZCS。 在死区时间t0-t1时段内,激磁电流给Q1,Q2的输出电容Coss1和Coss2充电,当Coss1两端的电压为0V时,Q1的体二极管导通,电流通过体二极管流通,在t1时刻让Q1导通,便可实现Q1的ZVS。 当Q1导通后,谐振电流通过Q1反向流通,谐振电流大于激磁电流,副边二极管D1导通向负载提供能量。 随着谐振电流逐渐增大,到t2时刻,谐振电流为正,顺向流过Q1,直至Q1关断。 t3-t4为死区时间,过程与t0-t1时段相同。 随后下管Q2开通,开始另一半周的工作,其过程与Q1导通期间的过程相同。 从上面的波形可以看到,当fs=fR1的时候,原边电流波形为正弦波,Q1,Q2都是ZVS,副边二极管D1,D2都是ZCS。 好久没更新了,接下来我们讲一下在fs>fR1时的工作情况。 当fs=fR1,fs>fR1时,励磁电感不参与谐振,其特性就是一个串联谐振的特性。 在t0时刻前,Q1关断,Q2导通,谐振电流通过变压器耦合到副边,副边二极管D1关断,D2导通,向负载传递能量。 变压器两端的电压被输出箝位,励磁电流线性增大。 到t0时刻,下管Q2关断。 原边谐振电流向Coss1和Coss2充电,使Q1两端电压在死区结束前能降到0。 由于fs>fR1,此时谐振电流大于励磁电流。 因此谐振电流迅速减小到励磁电流。 在谐振电流减小到励磁电流前,变压器副边仍有电流流动,变压器原边仍被箝位,因此谐振电流的下降斜率为(Vc-n.Vo)/Lr,Vc为谐振电容上的电压。 副边整流二极管D2上的电流逐渐减小,当协整电流等于励磁电流的时候,D2的电流减小到0,实现ZCS. 在t1时刻前,Q1两端的电压为零,励磁电流通过Q1的体二极管流通。 此时使Q1开通,Q1便是ZVS。 Q1导通后,Ls,Cr开始另一半周的谐振。 副边二极管D1导通。 在t2时刻,谐振电流反向。 直至t3时刻Q1关断,开始另一半周的工作,其工作过程与t0-t3相同。 由上面的分析和波形可以看出,当fs>fR1时,LLC原边实现ZVS,副边实现ZCS,副边二极管工作在电流断续的状态。 我们再来看一下当fR2 当fR2 这种工作状态,也正是LLC与传统的串联谐振电路的区别所在。 在t0时刻,上管Q1导通,下管关断。 Ls与Cr谐振,谐振电流反向流过Q1,副边二极管D1导通,向负载提供能量。 变压器原边被输出箝位,励磁电流线性增大。 在t1时刻,谐振电流反向,正向通过Q1。 由于fs 因此到t2时刻,谐振电流与谐振电流相等。 副边二极管电流降为0,自然关断。 此后,Ls,Cr与原边激磁电感Lp构成谐振,由于谐振频率很低,t2-t3的时间远小于开关周期,因此电流近似为线性变化。 在t3时刻,Q1关断。 原边电流向Coss2充电,使下管Q2能实现零电压开通。 t4时刻,Q2导通,开始另一半周的工作。 其过程与t0-t4相同。 对于LLC的参数设计,主要是确定: 1,所希望的特性,轻载和满载的特性,取决于K和Q;2,工作点,开关频率是高于谐振频率还是低于谐振频率,主要取决于变压器的匝比;3,确定参数,漏感和励磁电感的大小,谐振电容的容值。 从前面的分析我们可以看到,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。 上面是一个LLC的电路,我们可以等效为如下的等效电路。 对于谐振槽路的输入端,也就是Q1,Q2连接点,我们通常称为半桥中点,其电压波形为一个幅值为Vdc的方波, 经过傅里叶分解,我们可以得到它的基波为: 其有效值为 由于变压器副边绕组的电流为正弦波,对于全桥整流电路, 此分析同样适用于全波整流,因此 得到输入输出的等效后,我们可以计算谐振槽路的增益。 从归一化的增益公式,我们可以看到,影响LLC增益的因素有fn,k,Q.对于fn,通常我们希望它稳态时为1。 所以我们先来讨论下k的影响。 我们可以改变k的数值,得到不同的Q值曲线图。 从上面不同的Q值曲线上,我们可以看到,k值越小,Q值曲线越陡峭,要获取相同增益时,频率变化越小。 那么K值是不是越小越好呢? 答案是K值并不是越小越好。 K值越小,意味着相对于相同的Lr,励磁电感Lm要越小,开关管的损耗会增大。 所以通常情况下,我们把K值取在3-7之间。 当我们确定K值后,就可以得到一组Q值曲线。 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Rac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Rac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。 那么我们如何去调整这个工作点呢? 从上面的分析可以看出,LLC的工作点与增益有关。 当谐振参数确定后,唯一能改变增益的就是变压器的变比。 因此要改变LLC的开关频率,只有通过改变变压器的匝比来实现。 对于LLC,还有一个很重要的参数就是Q值。 我们来看一下熟悉的Q值曲线,从曲线上我们可以看到,Q值越小,Q值曲线越陡峭,Q值曲线的右侧为ZVS区域。 因此我们可以找到Q值取值的最大值Qmax,它为LLC最大的直流增益Mmax与Q值曲线相交的最大值,这一点是保证在Mmax下,也就是对应最小频率下能实现ZVS的临界条件。 如果选择的Q值大于Qmax,LLC将会进入ZCS区域。 可以通过对LLC谐振槽路的等效阻抗推导出Qmax. 在设计中,为了留有一定的裕量,我们通常取Q值为Qmax的90%-95%。 不管在哪个频率段,副边二极管始终是ZCS。 对于单个次级二极管而言,电流始终是断续的。 不知道你为什么觉得是0.5fr1? 0.5fr1也不一定就大于fr2,这要看Lm和Lr的比例。 对于死区时间,是llc的一个重要参数。 它跟励磁电流,MOSFET的输出电容和线路寄生电容有关。 要使llc实现软开关,就要使得在死区时间内,励磁电流能抽走或者充满MOSFET的输出电容和线路上的寄生电容,才能使得LLC的mosfet的D-S两端电压能达到0v。 但是如果死区时间太大的话,会使得半桥的电压利用率降低,使得原边电流增大,不利于提高效率。 所以要选择合适的死区时间。 不过由于LLC变压器的励磁电感比较小,励磁电流比较大,死区时间比较小。 对于OCL,不知道你指的是什么。 负载电流的平均值是由负载决定的,但有效值是随波形变化的。 在开关频率高于谐振频率时,由于原边电流连续,副边电流相对比较平缓,有效值较低,效率相对会比较高点。
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