丸子~

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详解LLC谐振电路的工作原理

2020-10-26 21:23:32 显示全部楼层
与传统 PWM (脉宽调节)变换器不同, LLC 是一种通过控制开关 频率 (频率调节)来实现输出电压恒定的 谐振电路 。它的优点是:实现原边两个主MOS开关的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS),通过 软开关 技术,可以降低 电源 的开关损耗,提高功率变换器的效率和功率密度。

学习并理解LLC,我们必须首先弄清楚以下两个基本问题: 1.什么是软开关;2.LLC电路是如何实现软开关的。
由于普通的拓扑电路的开关管是硬开关的,在导通和关断时MOS管的Vds电压和电流会产生交叠,电压与电流交叠的区域即MOS管的导通损耗和关断损耗。如图所示:

为了降低开关管的开关损耗,提高电源的效率,有零电压开关(ZVS) 和零电流开关(ZCS)两种软开关办法。
1.零电压开关 (ZVS):开关管的电压在导通前降到零,在关断时保持为零。
2.零电流开关(ZCS):使开关管的电流在导通时保持在零,在关断前使电流降到零。

由于开关损耗与流过开关管的电流和开关管上的电压的成绩(V*I)有关,当采用零电压ZVS导通时,开关管上的电压几乎为零,所以导通损耗非常低。

● Vin为直流母线电压,S1,S2为主开关MOS管(其中Sc1和Sc2分别为MOS管S1和S2的结电容,并联在Vds上的二极管分别为MOS管S1和S2的体二极管),一起受控产生方波电压;
● 谐振电容Cr 、谐振电杆Lr 、 励磁电杆Lm一起构成谐振网络;
● np,ns为理想变压器原副边线圈;
● 二极管D1, 二极管D2,输出电容Co一起构成输出整流滤波网络。
那么LLC电路是怎么实现软开关的呢?
要实现零电压开关,开关管的电流必须滞后于电压,使谐振槽路工作在感性状态。
LLC 开关管在导通前,电流先从开关MOS管的体二极管(S到D)内流过,开关MOS管D-S之间电压被箝位在接近0V(二极管压降),此时让开关MOS管导通,可以实现零电压导通;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(实际也为硬关断)。

那什么是谐振呢?我们不妨先看看电感和电容的基本特性:
与电阻不同,电感和电容都不是纯阻性线性器件,电感的感抗XL和电容的容抗Xc都与频率有关,当加在电感和电容上的频率发生变化时,它们的感抗XL和容抗Xc会发生变化。
1、如下图RL电路,当输入源Vin的频率增加时,电感的感抗增大,输出电压减小,增益Gain=Vo/Vin随频率增加而减小。

2、如下图RC电路,相反,当输入源Vin的频率增加时,电容的容抗减小,输出电压增大,增益Gain=Vo/Vin随频率增加而增加。

下面我们分析一下LC谐振电路的特性:
如图,当我们将L和C都引入电路中发现,当输入电压源的频率从0开始向某一频率增加时,LC电路呈容性(容抗>感抗),增益Gain=Vo/Vin随频率增加而增加,当从这一频率再向右边增加时,LC电路呈感性(感抗>容抗),增益Gain=Vo/Vin随频率增加而降低。这一频率即为谐振频率(此时感抗=容抗,XL=Xc=ωL=1/ωC),谐振时电路呈纯电阻性,增益最大。
谐振条件:感抗=容抗,XL=Xc=ωL=1/ωC
谐振频率:fo

那么谐振有什么作用呢?
控制让谐振电路发生谐振,有三个参数可以调节。由于L和C的大小不方便调节,通过调节输入电压源的频率,可以使L、C的相位相同,整个电路呈现为纯电阻性,谐振时,电路的总阻抗达到或近似达到极值。利用谐振的特征控制电路工作在合适的工作点上,同时又要避免工作在不合适的点上而产生危害。
LLC稳定输出电压原理:
将LLC电路等效分析,得到i如下简化电路。当交流等效负载Rac变化时,系统通过调整工作频率,改变Zr 和Zo的分压比,使得输出电压稳定,LLC就是这样稳定输出电压的。

对LLC来说,有两个谐振频率,一个谐振频率fo是利用谐振电感Lr谐振电容Cr组成;
另一个一个谐振频率fr1是利用谐振电感Lr,励磁电感Lm,谐振电容Cr一起组成;

再来看一份更为详细的LLC工作模态分析:

开关网络:S1、S2及其内部寄生二极管Ds1\Ds2、寄生电容Cds1\Cds2;
谐振网络:谐振电容Cr 、串联谐振电感Lr 、并联谐振电感 Lm;
中心抽头变压器(匝比为n:1:1),副边整流二极管 D1、D2;
输出滤波电容Co (忽略电容的ESR),负载 Ro。
1.1 LLC变换器的模态分析

对于LLC电路,存在两个谐振频率:

1.1.1 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态1


1.1.2 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态2


1.1.3 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态3


1.1.4 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态4

1.1.5 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态5

1.2 f=fr1 情况下的波形图

1.3 f>fr1情况下的模态分析
1.3.1工作区域1(f>fr1) 模态1


1.3.2工作区域1(f>fr1) 模态2

1.3.3工作区域1(f>fr1) 模态3

1.3.4 工作区域1(f>fr1) 模态4

总结:开关频率fr2<f<fr1时,且谐振网络工作在感性区域时,LLC变换器原边开关管实现ZVS,且流过输出整流二极管的电流工作在断续模式,整流二极管实现ZCS,消除了因二极管反向恢复所产生的损耗;
开关频率f=fr1时, LLC谐振变换器工作在完全谐振状态,原边开关管可以实现ZVS,整流二极管工作在临界电流模式,此时可以实现整流二极管的ZCS,消除了因二极管反向恢复所产生的损耗;
开关频率f>fr1时, LLC谐振变换器原边开关管在任何负载下都可以实现ZVS,但是变压器励磁电感由于始终被输出电压所钳位,因此,只有 Lr、Cr 发生串联谐振,而 Lm在整个开关过程中都不参与串联谐振,且此时输出整流二极管工作在电流连续模式,整流二极管不能实现ZCS,会产生反向恢复损耗。
看完了LLC的原理分析,我们再来简单回顾一下开关电源的发展历程!
20世纪60年代末,巨型晶体管(GTR)的出现,使得采用高工作频率的开关电源得以问世,那时确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。
后来随着电力 MOSFET 的应用,开关电源的频率进一步提高,使得电源体积更小,重量更轻,功率密度进一步提高。
20世纪80年代,IGBT的出现让仅适用于小功率场合的开关电源在中大功率直流电源也得以发挥。很快,为了解决因开关频率提高而引发的电磁干扰问题,出现了软开关技术开关电路。
到了20世纪90年代,为了提高开关电源的功率因数,出现了功率因数校正技术(PFC)。
目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合外,开关电源已经全面取代了线性稳压电源,主要用于小功率场合。例如:计算机、电视机、各种电子仪器的电源。在许多中等容量范围内,开关电源逐步取代了相控电源,例如:通信电源领域、电焊机、电镀装置等的电源。
开关电源作为一切电子电器设备的心脏,尤其在硬件行业中有着非常重要的地位。在研制高效开关电源,小功率一般用准谐振,中功率用半桥LLC,大功率用全桥LLC或移相全桥。


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