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LLC的作业原理(第 I 部分):电源开关和谐振腔

发布时间:2022-09-17 08:36:16 来源:火狐体育app最新 点击次数:25 作者:火狐体育app最新

  LLC 谐振变换器因能满意现代电源规划严苛的功用要求而成为电力电子范畴的热门话题。 LLC 归于巨大的谐振变换器拓扑宗族系列,而

  这种开关形式的 DC/DC 电源变换器答应选用更高的开关频率 (fSW) 并且下降了开关损耗,因而更适用于高功率和高功率使用。LLC 谐振变换器是具有精细体系(即高端消费电子产品)或更高运转功率要求(即为电动汽车充电)的电源使用抱负之选。

  LLC 变换器由 4 个模块组成:电源开关谐振腔、变压器和二极管整流器(参见图 1)。MOSFET 功率开关首先将输入的直流电压转换为高频方波;随后方波进入谐振腔,由谐振腔消除方波的谐波并输出基频的正弦波;正弦波再经过高频变压器传输到变换器的副边,并依据使用需求对电压进行升压或降压;最终,二极管整流器将正弦波转换为安稳的直流输出。

  LLC 变换器因其谐振特性,即便在十分高的功率下也能坚持高功率。该特性一起完成了原边和副边的软开关功用,它下降了开关损耗,然后提高了功率。

  别的,LLC 拓扑还能够节约电路板空间,由于它不需求输出电感器。这意味着一切电感器都能够轻松集成到单个磁性结构中,然后节约面积和本钱。当电路的一切电感元件都坐落同一个结构中时,其电磁兼容性将得到极大的改进;由于屏蔽单个结构比屏蔽三个结构必定更简单,也更廉价。

  这两种拓扑的首要差异在于:全桥拓扑生成的方波没有直流偏移,起伏等于输入电压 (VIN).;半桥拓扑则发生一个偏移 (VIN/ 2)的方波,因而起伏仅为全桥波的一半。

  每种拓扑都有其本身的优缺点。全桥拓扑需求更多的晶体管,因而施行本钱更高。并且,添加的晶体管会导致串联电阻(RDS(ON))添加,然后添加传导损耗;但另一方面,全桥完成能够将必要的变压器匝数比 (N) 下降一半,因而能够最大极限地削减变压器中的铜损。

  半桥拓扑的施行则更具本钱效益,并且,它能够将电容器两头的 RMS 电流下降约 15%;不过,这种拓扑会添加开关损耗。

  权衡利弊之后,一般主张在功率低于 1kW 的使用中选用半桥功率开关拓扑,而在更高功率使用中则选用全桥拓扑。

  谐振腔由谐振电容器 (CR) 和两个电感器组成:谐振电感器 (LR)与电容器和变压器串联,励磁电感器 (LM)则与之并联。谐振腔的作用是滤除方波的谐波,将基频开关频率的正弦波输出到变压器的输入端。

  谐振腔的增益随频率和副边负载而改变(参见图 4)。规划人员需调整这些参数,以保证变换器在宽负载规模内均高效运转。具体办法为,规划谐振腔的增益值,使其在一切负载条件下均超越 1。

  LLC 变换器因谐振腔的双电感器而具有宽作业规模与高功率。要了解其原理,首先要了解谐振腔选用不同电感器时,在重载和轻载条件下的呼应。

  当谐振腔仅由谐振电容器和励磁电感器组成时,图 5 显现了谐振腔在不同负载条件下的增益。在轻载下,谐振腔增益有一个显着的峰值;但重载下的增益不只没有峰值,反而有阻尼呼应,并且只在十分高的频率下才到达单位增益。

  当谐振腔仅由串联的谐振电容器和谐振电感器 (LR) 组成时,成果则不同。其增益不会超越 1,但当负载最大时,谐振腔到达单位增益的速度要比并联电感器快得多。

  假如谐振腔中一起带两种电感器,则发生的频率增益呼应可保证变换器充沛呼应更大的负载规模;并且,还能够完成对整个负载规模的安稳操控(参见图 4)。此刻的 LLC 谐振腔具有两个谐振频率 (fRand fM),可分别由公式 (1) 和公式 (2) 核算得出。

  负载经过品质因数 (Q) 来表明,它取决于连接到输出的负载。但直接选用负载值并不精确,由于在谐振腔输出和负载之间还有一个变压器和一个整流器(参见图 1)。因而,咱们有必要为负载供给一个主参考值,即 RAC. RAC和 Q 能够分别用公式 (3) 和公式 (4) 来预算:

  归一化频率 (fN) 界说为 MOSFET 开关频率 (fSW) 与谐振腔谐振频率 (fR)之间的比率。 fN能够经过公式 (5) 核算:

  请注意,以上核算均选用一次谐波剖析 (FHA) 进行。这种办法之所以适用,是由于咱们已假定 LLC 是在谐振频率 (fR)内运转的。经过使用傅里叶剖析,谐振腔的输入是由多个具有不同起伏和频率的正弦波组成的方波。由于谐振腔可滤除一切与基频 fSW频率不同的正弦波,所以咱们能够疏忽除基频正弦波之外的一切波,这能够大大简化咱们的剖析。

  软开关功用旨在经过使用电流的天然上升与下降、以及电路内部电压来下降开关损耗,以保证电子开关在最有用的时间导通或关断。假如在电流近似为零时开关,称为零电流开关 (ZCS)。假如在低电压下开关,称为零电压开关 (ZVS)。LLC 变换器凭仗其谐振特性,能够一起完成 ZVS 和 ZCS。

  图 7 显现了 LLC 变换器的四种根本作业形式。形式 1 和形式 3 为规范的 LLC 操作,如前文所述。在形式 1 中,电流从电源输送到谐振腔和变压器副边(Q1 导通,Q2 关断)。在形式 3 中,存储在谐振腔中的剩下功率被传输到变压器的副边,其电流的活动方向与形式 1 中相反(Q1 关断,Q2 导通)。ZVS 在形式 2 和形式 4 中呈现,此刻两个开关均关断;期间,电流流过晶体管的体二极管(例如形式 2 中的 Q2,或形式 4 中的 Q1),这也称为续流。

  受体二极管的小压降约束,续流导致晶体管两头的电压 (VDS) 下降,直至挨近零值。此刻,两个栅极信号都为低电平,当电路从形式 2 转换到形式 3 、或形式 4 转换到形式 1 时,晶体管两头的电压挨近于零,这最大极限地下降了开关损耗。

  了解 LLC 谐振腔作业原理对规划 LLC变换器至关重要。谐振腔的谐振特性使LLC变换器能够在宽负载和功率规模内坚持高效且安稳的运转,因而广受欢迎。不过,这种谐振也要求规划人员在规划电路参数时需十分慎重,由于谐振腔的增益呼应受很多参数的影响,其间包含负载和变换器的作业点(见公式 (7))。

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