LLC谐振电路工作原理及参数设计.ppt

1、1,LLC谐振电路工作原理及参数设计,Prepared by： xx Mobile： xxxxxxxxxxxx Email： Date： Address：,第1章 谐振电路简介 第2章 LLC拓扑原理 第3章 参数设计计算 第4章 L6599芯片介绍 第5章 设计注意事项,谐振电路简介,谐振现象: 含有RLC 的无源单口网络在正弦激励作用下, 对于某些频率出现端口电压、电流同相位。,X = XL - XC =0,谐振分类： 1、串联谐振 2、并联谐振,谐振条件：,谐振电路简介,串联谐振,一、谐振条件与谐振频率：,谐振条件：,谐振频率：,或,谐振产生方法： 1）信号源给定，改变电路参数； 2）电

2、路给定，改变信号源频率。,谐振电路简介,谐振参数：,1、谐振阻抗：谐振时电路的输入阻抗Z0 串联谐振电路： Z0=R,3、品质因数：,2、特征阻抗：谐振时的感抗或容抗。 串联谐振电路：,谐振电路简介,串联谐振特性,1）阻抗最小：Z0=R 2) u-i = 0 3) cos =1 4) 电流达到最大值： Im=U/R 5) L、C端出现过电压: UL=UC=QU 6) 相量图,（电流与电压同相位）,İ,谐振电路简介,串联谐振电路阻抗,并联谐振电路的阻抗计算?,第1章 谐振电路简介 第2章 LLC拓扑原理 第3章 参数设计计算 第4章 L6599芯片介绍 第5章 设计注意事项,谐振电路拓朴原理,谐

3、振变换器之所以得到重视和研究，是因为在谐振时电流或电压周期性过零，利用这一点实现软开关，可以降低开关损耗，提高功率变换器的效率。 谐振功率变化器有以下三种：SRC（Series Resonance Circuit）、PRC（Parallel Resonance Circuit）、SPRC（Series-Parallel Resonance Circuit，又称LLC）。,SRC（串联谐振电路）,电路中电感与电容串联，形成一个串联谐振腔。这个谐振腔的阻抗与负载串联，则由于其串联分压作用，增益总是小于1。谐振腔的阻抗与频率有关，在其谐振频率fr下阻抗最小，此时的增益也最大。,SRC的直流特性曲线,

4、根据电路的直流特性可知： fsfr时,开关管 Q-ZVS； 轻载时，fs要变化很大才能保证输出电压不变; Vin增大时,fs增大使输出电压保持不变。 此时谐振腔的阻抗也增大，则谐振腔内有很高的能量在循环，而并没有把这些能量供给负载，并且使半导体器件的应力增大。,因此，串联谐振变换器存在一些不利因素：轻载调整率高、高的谐振能量、高输入电压时较大的关断电流。,PRC（并联谐振电路）,PRC的直流特性曲线,根据其直流特性可知： fsfr时，实现软开关； 轻载时，fs并不要变化很大来 维持输出电压不变； Vin增大时，fs增大来维持输出电压不变。 此时谐振腔内循环的能量依然很大，即使是在轻载的条件下，

5、由于负载与电容并联，仍然有一个比较小的串联阻抗。,与SRC相比，PRC优点：在轻载时，频率变化不大即可保证输出电压不变。 PRC的缺点：高的谐振能量、高输入电压时关断电流较大会引起较大的关断损耗。,SPRC（串并联谐振电路）,串并联谐振电路有两种形式。,LCC形式,SPRC（串并联谐振电路）,对于LCC电路，存在两个谐振频率： 显然，fr2fr1，这样低频谐振点没有利用。 从这个方案可以看出，可以利用双谐振网络来实现ZVS，如果将LCC的直流特性左右翻转，那么低频谐振点就可以利用上。因此，出现了特性较好的谐振变换器LLC结构。,LLC电路拓朴原理,LLC形式,LLC电路拓朴原理,对于LLC电路

6、，存在两个谐振频率： 显然，fr1fr2。由直流特性曲线可知： 当fsfr2时，MOSFET工作在ZVS区域，对于MOSFET而言，ZVS模式下开关损耗较ZCS模式要小； 在轻载时，LLC谐振变换器的开关频率变化很小，即使在空载时它也具备零电压开关能力。,LLC电路拓朴原理,LLC变换器的模态分析,根据LLC谐振变换器的直流增益特性可以将其分为三个工作区域。 通常将LLC谐振变换器设计工作在区域1和2，工作区域3 是ZCS工作区。对于MOSFET而言，ZVS模式的开关损耗比ZCS模式的开关损耗要小。,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

7、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, fsfr1,fr2fr1,此阶段结束时刻，谐振电流激磁电流 Q2关断 Q2关断时刻,二极管D2电流没到零,fsfr1,(Phase2 /6),2/6,Q1,Q2,D1 OFF (死区时间) 在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右到左的,而且没有回零 在Q2关断时刻,由于电感中的电流不能突变,将继续向Coss2中充电 当 VCoss2Vin时,Q1的体二极管导通 由于fsfr1,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

8、被箝位，因此谐振电流的下降斜率为（Vc-n.Vo)/Ls,(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，当谐振电流等于励磁电流的时候，D2的电流减小到0，实现 ZCS,fsfr1,(Phase3 /6),3/6,在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右到左的,而且没有回零 在Q1体二极管导通时刻,Q1 ON,实现ZVS开通 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 同时Lm进行反向励磁 当ILs=0时,此阶段结束,fsfr1,(Phase4 /6),4/6,在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右向左刚好回零 此时Q

9、1 ON,Vin 通过变压器向副边传递能量 谐振电流反向为从左向右,逐渐变大 因fsfr1,此阶段结束时刻，谐振电流激磁电流 Q1关断 Q1关断时刻,二极管D2电流没到零,fsfr1,(Phase5 /6),5/6,Q1,Q2,D1 OFF(死区时间) 在上个阶段结束时,Cr中的电流是从左到右的,而且没有回零 在Q1关断时刻,由于电感中的电流不能突变,Vin向Coss1充电,此时Coss2放电 由于fsfr1,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)/Ls,(V

10、c 为谐振电容上的电压)。副边整流二极管 D1 上的电流逐渐减小，当谐振电流等于励磁电流的时候，D2的电流减小到0，实现 ZCS,fsfr1,(Phase6 /6),6/6,在上个阶段结束时,Cr中的电流是从左到右的,而且没有回零 在Q2体二极管导通时刻,Q2 ON,实现ZVS开通 当 Q2 导通后，谐振电流通过 Q2 反向流通，谐振电流大于激磁电流，副边二极管D2导通向负载提供能量 同时Lm进行正向励磁 当ILs=0时,此阶段结束,当 fsfr1时，从上面的分析及波形可以看到，Q1,Q2 都是 ZVS,副边二极管 D1,D2 都是 ZCS。Lm没有参与谐振。,fr2fsfr1,(Phase1

11、 /8),1/8,设定初始条件为:谐振回路中电流到零(在Q2导通时间内) 此时间内Q1 OFF,Q2 ON,D2 ON 变压器向副边传递能量 因fsfr1,此阶段结束时刻，谐振电流=激磁电流 D2 ZCS关断,fr2fsfr1,(Phase2 /8),2/8,前一阶段结束时，谐振电流=激磁电流 此时间内Q1 OFF,Q2 ON,D2 OFF Cout向副边传递能量 此时Lm参与谐振，谐振电流的上升斜率为（Vin-Vc)/(Lm+Ls) 直到Q2关断,此阶段结束,fr2fsfr1,(Phase3 /8),3/8,Q1，Q2，D2 OFF Cout向副边传递能量 在Q2关断时刻,由于电感中的电流不

12、能突变,I(Lm+Ls)将继续向Coss2中充电 当 VCoss2Vin时,Q1的体二极管导通 直到Q1开通,此阶段结束,fr2fsfr1,(Phase4 /8),4/8,在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右到左的,而且没有回零 在Q1体二极管导通时刻,Q1 ON,实现ZVS开通 当 Q1 导通后，谐振电流通过 Q1 反向流通，当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 同时Lm进行反向励磁 当ILs=0时,此阶段结束,fr2fsfr1,(Phase5 /8),5/8,上阶段结束时，谐振回路中电流到零(在Q1导通时间内) 此时间内Q2 OFF,Q1 ON,D1 ON 变压器向副边

13、传递能量 因fsfr1,此阶段结束时刻，谐振电流=激磁电流 D1 ZCS关断,fr2fsfr1,(Phase6 /8),6/8,前一阶段结束时，谐振电流=激磁电流 此时间内Q2 OFF,Q1 ON,D2 OFF Cout向副边传递能量 此时Lm参与谐振，谐振电流的上升斜率为（Vin-Vc)/(Lm+Ls) 直到Q1关断,此阶段结束,fr2fsfr1,(Phase7 /8),7/8,Q1，Q2，D1 OFF Cout向副边传递能量 在Q1关断时刻,由于电感中的电流不能突变,I(Lm+Ls)将继续向Coss2中充电 当 VCoss2Vin时,Q1的体二极管导通 直到Q1开通,此阶段结束,fr2fs

14、fr1,(Phase8 /8),8/8,在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右到左的,而且没有回零 在Q1体二极管导通时刻,Q1 ON,实现ZVS开通 当 Q1 导通后，谐振电流通过 Q1 反向流通，当谐振电流大于激磁电流，副边二极管D2导通向负载提供能量 同时Lm进行反向励磁 当ILs=0时,此阶段结束,当 fr21.5V，DELAY（2脚）3.5V，以及当ISEN的电压超过0.8V或长时间超过0.75V时，芯片关闭，电容器Css通过芯片内部开关放电，以使再启动过程为软启动。 2. DELAY：过载电流延迟关断端。此端对地并联接入电阻Rd和电容Cd各一只，设置过载电流的最长持续时间。当ISEN

15、脚的电压超过0.8V时，芯片内部将通过150uA的恒流源向Cd充电，当充电电压超过2.0V时，芯片输出将被关断，软启动电容Css上的电也被放掉。电路关断之后，过流信号消失，芯片内部对Cd充电的3.5V电源被关断，Cd上的电通过Rd放掉，至电压低于0.3V时，软启动开始。这样，在过载或短路状态下，芯片周而复始地工作于间歇工作状态。（Rd应不小于2V/150uA13.3k。Rd越大，允许过流时间越短，关断时间越长。） 3. CF：定时电容。对地间连接一只电容Cf，和4脚对地的RFmin配合可编程振荡器的开关频率。,L6599芯片介绍,4. RFmin：最低振荡频率设置。4脚提供2V基准电压，并且，

16、从4脚到地接一只电阻RFmin，用于设置最低振荡频率。从4脚接一只电阻RFmax，通过反馈环路控制的光耦接地，将用于调整交换器的振荡频率。RFmax是最高工作频率设置电阻。4脚1脚GND间的RC网络实现软启动。 5. STBY：Standby，间歇工作模式门限（ 1.85V、 ISEN 1.5V、 LINE 6V 和 STBY 1.25V关闭时，9脚输出被拉低。当DELAY端电压超过2V，且没有回复到0.3V之下时，该端也被拉低。在UVLO（低压闭锁）期间，该引脚是开放的。如果不使用此功能，请将该引脚接地。,第1章 谐振电路简介 第2章 LLC拓扑原理 第3章 参数设计计算 第4章 L6599芯片介绍 第5章 设计注意事项,LLC设计注意事项,软启动频率设置时，要看谐振电容电流是否有对称过零，否则MOSFET会有反向恢复问题，有可能会形成上下管共通。 LLC电路是电压模式的电路，没有电流闭环，电压环保护相对是较慢的，因此如果没有相应的电流检测保护措施，变换器极易损坏，而6599 P