LLC工作原理分析.ppt

LLC工作原理分析 目录一 原理简介1 0简介软开关1 1LLC三种工作状态 fs fR1 fs fR1 fR2fR1工作过程1 4fR2 fs fR1工作过程1 5FHA等效模型1 6K值分析1 7Q值分析1 8LLC阻抗特性二 设计举列2 0设计步骤2 1举例 软开关简介 对于LLC而言 通常让开关管在电流为负时导通 在导通前 电流从开关管的体内二极管流过 开关管D S之间电压被箝位在0V 忽略二极管压降 此时开通MOS管 可以实现零电压开通 在关断前 由于D S间的电容电压为0v而且不能突变 因此也近似于零电压关断 要实现零电压开关 开关管的电压必须滞后于电流 因此必须使谐振回路始终工作在感性状态 LLC开关管零电压开通 LLC半桥谐振电路及两个谐振频率 当工作在重载的情况下的时候 由谐振电感 漏感 Lr 谐振电容Cr和负载R1构成串联谐振回路 谐振频率为 当次级整流管不导通时 由谐振电感 漏感 Lr 激磁电感Lm和谐振电容Cr构成串联谐振回路 谐振频率为 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 LLC三种工作状态 对于谐振电路而言 为了实现ZVS 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的工作状态分为三种 fs fR1fs fR1fR2 fs fR1 fs fR1时工作波形 当fs fR1时LLC工作在完全谐振状态 fs fR1时工作过程 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 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 fs fR1时工作过程 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 fs fR1时工作波形 当fs fR1及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 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 fs fR1时工作过程 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 fs fR1时工作过程 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 fR2 fs fR1时工作波形 当fR2 fs fR1时 开关周期长于谐振周期 原边激磁电感将参与工作 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 fR2 fs fR1工作过程 在t0时刻 上管Q1导通 下管关断 Lr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 fR2 fs fR1工作过程 由于fs fR1 开关周期长于谐振周期 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 Lr Cr与原边激磁电感Lm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 FHA等效模型 对于谐振回路 起主导作用的是激励的基波成分 因此我们用基波等效 FHA 来等效输入模型分析电路 对于谐振回路的输入端 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 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 K值分析 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 K值越大Lm越大环路反应越慢 但开关管损耗越小其效率越高 在实际应用中我们可按需要去调整其大小值 通常情况下 我们把K值取在7 12之间 在Lr较小Cr较大 比如用漏感作谐振电感的变压器 时 在满足增益的前提下 K值有时取到14 17来减小开机瞬间谐振回路的电流应力 Q值分析 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谐振回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 LLC的阻抗特性 设计步骤 一 已知条件1 输入电压范围 VinMIN VinMAX Vdc 2 额定输入电压 VinNOM Vdc 3 额定输出电压 Vout Vdc 4 输出最大功率 Pout5 选择谐振频率 fr二 求1 计算变压器匝比 n2 计算最大增益Mmax 最小增益Mmin3 计算最大工作频率frmax 工作频最小频率frmin4 计算Q Cr Lr Lm 设计相关计算公式 举例 一 已知条件输入电压范围 350 410Vdc额定输入电压 395Vdc额定输出电压