LLC工作原理詳細(xì)講解

要了解LLC,就要先了解軟開(kāi)關(guān)。對(duì)于普通的拓?fù)涠?，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)，M

0SFET的D-S間的電壓與電流產(chǎn)生交疊，因此產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。如圖所示。

為了減小開(kāi)關(guān)時(shí)的交疊，人們提出了零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)和零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)

兩種軟開(kāi)關(guān)的方法。對(duì)于ZCS：使開(kāi)關(guān)管的電流在開(kāi)通時(shí)保持在零，在關(guān)斷前使

電流降到零.對(duì)于ZVS:使開(kāi)關(guān)管的電壓在開(kāi)通前降到零,在關(guān)斷時(shí)保持為零。

最早的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是采用有損緩沖電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。從能見(jiàn)的角度來(lái)看，它是將開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中消耗掉，從而改善開(kāi)

關(guān)管的工作條件.這種方法對(duì)變換器的效率沒(méi)有提高,甚至?xí)剐式档?目前所研究的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)不再采用有損輟沖電跳，這種

技術(shù)真正減小了開(kāi)關(guān)損耗,而不是損耗的轉(zhuǎn)移,這就是諧振技術(shù).而諧振變換/又分為全諧振變換器，準(zhǔn)諧振變換器，零開(kāi)關(guān)PWM

變換器和零轉(zhuǎn)換PWM變換器。全落根變換器的諧振元件一直諧振工作，而準(zhǔn)諧振變換㈱的諧振元件只參與能量變換的某一個(gè)階

段,不是全程參與。零開(kāi)關(guān)PWS1變換器是在準(zhǔn)諧振的基礎(chǔ)上加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)甑來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程.零轉(zhuǎn)換八四變換

㈱的輔助諧振電路只是在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)工作一段時(shí)間，其它時(shí)間則停止工作。

全諧振變換器主要由開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)和諧振槽路組成，它使得流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流變?yōu)椤谷叶皇欠讲?，然后設(shè)法便開(kāi)關(guān)管在某一時(shí)刻導(dǎo)

通,實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流開(kāi)關(guān).

Square-wavegenerator

對(duì)于LLC而言，通常讓開(kāi)關(guān)管在電沆為負(fù)時(shí)導(dǎo)通。在導(dǎo)通前，電流從開(kāi)關(guān)管的體內(nèi)一.極管流過(guò)，開(kāi)關(guān)管D—S之間電壓被箝位在

0V（忽略二極管樂(lè)降），此時(shí)開(kāi)通二極管,可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通；在關(guān)斷前，由于D-S間的電容電壓為Ov而且不能突變，因比也近

似于零電壓關(guān)斷。

p

1

N

3

=

O3C

H

O

§

O

N

-

1

N

<

N

O

S

3

O-C

N

3

H

<nK

。

N

<

H

O

3

9

v

n

o

>

3

O

H

n

o

s

x

-

s

e

從上面的分析可以看出，要實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)管的電壓必須滯后于電流.因此必須使諧振槽路始終工作在感性狀態(tài)。

對(duì)于I.LC,其變壓器可以等效為激磁電感與理想變壓器的并聯(lián)，當(dāng)工作在定我的情況下的時(shí)候，由溫感，諧振電容和負(fù)轂構(gòu)成申

聯(lián)諧振回路。

1

2笈業(yè)C

諧振頻率為:

當(dāng)LLCI：作在空載的時(shí)候,由漏感,激磁電感和諧振電容構(gòu)成串聯(lián)諧振回路。

1

2"2+LQJ

諧振頻率為:

從上面我們可以看到在空載時(shí)的諧振頻率要低于帶載時(shí)的諧振頻率。從其本質(zhì)上看，LLC電路實(shí)際上就是有兩個(gè)諧振點(diǎn)f勺串聯(lián)

諧振電路.

對(duì)于諧振電路而言，要使其呈現(xiàn)感性狀態(tài)，必須使外加激勵(lì)的頻率高丁?諧振頻率。因此對(duì)于LLC,其最小開(kāi)關(guān)頻率不能低于fR

2.從開(kāi)關(guān)頻率與諧振頑率的關(guān)系來(lái)看，LLC的工作狀態(tài)分為「s=fRl,fs>fRl,fR2(fs〈fRl三種工作狀態(tài).

首先我們來(lái)看,下當(dāng)fs=fR1時(shí)的情況，此時(shí)LLC工作在完全諧振狀態(tài)。下面是當(dāng)fs=fRl時(shí)的工作波形.

GMe<drive

MBmkbpowit

VoiUQe

Resonantcap

vottaoe

Trinsformer

currents

Diode

voiuges

Dkxte

cunents

在tO時(shí)刻前。上管3關(guān)斷，卜管Q2導(dǎo)通。諧振電潦通過(guò)Q2流通，變壓器向副邊傳遞能量，副邊二極管D2導(dǎo)通向負(fù)我提供

能0.變壓器斛邊被制邊電壓箱位，激磁電流線性上升.

D8

xluttt

1l

/

Ylf

YP

Y^vouut

\L—

4

>

D2

由于fs=fRl,在tl時(shí)刻正好完成半個(gè)周期的諧振,諧振電流與激磁電流剛好用等。變壓器副邊無(wú)電流,二極管D2自然關(guān)斷，

實(shí)現(xiàn)2CS.在死區(qū)時(shí)間tO-tl時(shí)段內(nèi).激磁電流治QI.Q2的怖出電容C。=I和Co*s2充電,當(dāng)Cowl兩端的電壓為0丫時(shí).Q

I的體二極管導(dǎo)通,電流通過(guò)體：極管流通,在t1時(shí)刻讓Q1導(dǎo)通，便可實(shí)現(xiàn)Q1的ZVS。

當(dāng)Q1導(dǎo)通后，諧振電流通過(guò)Q【反向流通,諧振電流大于撤越電流，副邊二極管DI導(dǎo)通向負(fù)載提供能量;.

t

l

u

Vo

—

Ki若諧振電流逐漸增大，到12時(shí)刻，諧振電流為正，順向流過(guò)Ql,直至3關(guān)斷.

t3-t4為死區(qū)時(shí)間,過(guò)程與t+tl時(shí)段相同,隨后下管Q2開(kāi)通,開(kāi)始另一半周的工作，其過(guò)程與Q1導(dǎo)通期間的過(guò)程相同。從上

面的波形可以.看到，當(dāng)fs=f?l隹時(shí)候,原邊電流波形為正弦波.Q1,Q2都是2VS,副邊二極管D1.D2都是2CS.

好久沒(méi)更新了，接下來(lái)我們講一下在fs〉fRl時(shí)的工作情況。當(dāng)fs=fRl,fs>fRl時(shí)，勵(lì)磁電感不參與諧振，其特性就是一

個(gè)串聯(lián)諧振的特性。

Gate-drive

signal

8

8

8HBmid-point

8

8Vonage

Re?onen(8P

800votuge

Tran$f<xm?r

currents

Diode

voltages

s

sDiode

scurrents

在t。時(shí)刻前.QI關(guān)斷,Q2導(dǎo)通，諧限電流通過(guò)變壓器耦合到副邊，副邊二極管山關(guān)斷.D2導(dǎo)通，向負(fù)載心遞能量.變壓器兩端

的電壓被輸出箝位,勵(lì)諼電流線性增大。

到t0時(shí)刻,下管Q2關(guān)斷.原邊諧振電流向Cossl和COSS2充電，使Q1兩端電壓在死區(qū)結(jié)束前能降到0.由于fs）州1,此時(shí)諧振

電流大于勵(lì)磁電流。因此諧振電流迅速減小到勵(lì)磁電流。在諧振電流減小到勵(lì)磁電流前,變壓甥副邊仍有電流流動(dòng),變壓巖原邊

仍被箝位.因此諧振電流的下降斜率為“c-n.Vo〉/Lr,Vc為諧振電容上的電壓.副邊整流二極管D2上的電流逐漸減小,當(dāng)

協(xié)愴電流等于物磁電流的時(shí)候,D2的電流減小到0，實(shí)現(xiàn)ZCS.

I8LW

9

^*80

09Cate-drive

08signals

08

MBmid-poini

Voltage

Resonant8P

voltage

-HVc-nVout|/LsMagnetmngcurrent

Transformer

currents

,V(D1)O

Diod?

vottages

Diode

currents

在t1時(shí)刻前，Ql兩端的電壓為零，勵(lì)磁電源通過(guò)QI的體二極管流通“此時(shí)使QI開(kāi)通,QI便是Z\S。Q1導(dǎo)通后,Ls,Cr開(kāi)始月

一半周的諧振。副邊二極管DI導(dǎo)通。

ut

在t2時(shí)刻,諧振電流反向。直至t3時(shí)刻Q1關(guān)斷,開(kāi)始另一半周的工作，其工作過(guò)程與t0一t3相同。

由上面的分析和波形可以看出，當(dāng)fs>fRI時(shí)，LLC原邊實(shí)現(xiàn)ZYS,副邊實(shí)現(xiàn)ZCS,副邊一極管工作在電流斷續(xù)的狀態(tài).

我們?cè)賮?lái)看一下當(dāng)fR2〈fs<fRl時(shí)候的怙況。當(dāng)fR2時(shí),開(kāi)關(guān)周期長(zhǎng)于諧振周期，原邊激磁感將參與工作。這種

工作狀態(tài),也正是LLC與傳統(tǒng)的中灰諧振電路的區(qū)別所在.

■

Gaiedtve

房

signals

蒙

HBmid伸nt

嚓Voltage

Resonantcap

avoltage

穩(wěn)

疆TramfOrmer

currents

槨

熊

熊Diode

*voltages

g

i

在to時(shí)刻，匕管Q1導(dǎo)通，下管關(guān)斷。Ls與Cr諧振，諧振電流反向流過(guò)QI,副邊二極管D1導(dǎo)通，向負(fù)載提供能量。變壓器原邊

被輸出箝位,勵(lì)磁電流線性增大.

在t1時(shí)亥|J.諧振電流反向，正向通過(guò)QL

Vin

由于fsVfRl,開(kāi)關(guān)周期長(zhǎng)于諧振周期.因此到t2時(shí)刻，諧振電流與諧振電流相等，副邊二極管電流降為0,自然關(guān)斷。此后,

Ls,Cr與原邊激磁電感Lp構(gòu)成諧振，由于諧振頻率很低，t2-t3的時(shí)間遠(yuǎn)，.、于開(kāi)關(guān)周期,因此電流近似為線性變化。

在t3時(shí)刻,Q1關(guān)斷。原邊電流向Coss2充電,使下管Q2能實(shí)現(xiàn)零:電壓開(kāi)通.

t4時(shí)刻,Q2導(dǎo)通,開(kāi)始另一半周的工作。其過(guò)程與tO-t4相同.

對(duì)于LLC的參數(shù)設(shè)計(jì),主要是確定，1,所希里的特性.輕我和滿我的特性，取決于K和Q：2,工作點(diǎn)，開(kāi)美彩率是高于諸振期

率還是低于諧振頻率，主要取決于變壓器的匝比;3,確定參數(shù),漏感和勵(lì)修電感的大小，諧振電容的容值。

從前面的分析我們可以看到，LLC變換器最關(guān)健的LLC諧振槽路的設(shè)計(jì)。對(duì)于半橋網(wǎng)絡(luò)，只提供一個(gè)頻率可變，50%占交比的

方波激勵(lì).對(duì)于?理想變壓器和輸出整流網(wǎng)絡(luò),其增益是固定不變的.因此為了更好的研究LLC諧振槽路的特性及設(shè)計(jì)，我們需

要簡(jiǎn)化LLC諧振槽路的臨入輸出模型。對(duì)于諧振槽路，起主導(dǎo)作用的是激勵(lì)的荔波成分。因此我們用基波等效(FHA)來(lái)等效輸入

模型.

Vdc

LPFilter-Load

Vouc

:Co<:Rlo&d

Resonanttank

上面是一個(gè)LLC的電路,我們可以等效為如下的等效電路.

八

Vo.fha

om

t

i

lnVo.fha

3)

對(duì)于諧振槽路的輸入端，也就是QI,Q2連接點(diǎn),我們通常稱為半橋中點(diǎn)，其電壓波形為一個(gè)幅值為Vdc的方波,

經(jīng)過(guò)傅里葉分解,我們可以得到它的基波為:

/必0）=三囁sm（2代加）

7F

其有效值為

由于變壓器副邊繞組的電流為止蘢波，對(duì)于全橋整流電路,

此分析同樣適用于全波整流，因此

勺=，，=辱磯

7T

得到輸入輸出的等效后，我們可以計(jì)仃諧振槽路的增益。

(￡-與

其中，諧旅頻率I/

品質(zhì)因一仔=岑零E8E

歸一化頻率?工=4

從歸一化的增益公式,我們可以看到，影響LLC增益的因素有fn,k,Q。對(duì)于fn,通常我們希望它穩(wěn)態(tài)時(shí)為1,所以我們先來(lái)討

論下k的影響.我們可以改變k的兼值.得到不同的Q值曲線圖.

DCCharacteristicofLLC

fs/fr

DCCharacteristicofLLC

2.0

0.2

Vin-300V

Vin=400V

1.0

0.5

0.0

0.01.02.0

fs/fr

DCCharacteristicofLLC

0.0----------------------------------------------------------------------------------

0.00.51.01.52.0

fs/fr

從上面不同的Q值曲線匕我們可以看到,k值越小，Q值曲線越陡時(shí)，要獲取相同增益時(shí)，頻率變化越小。

那么K值是不是越小越好呢？答案是K值并不是.描小越好。K值越小，意味著相對(duì)于相同的Lr,勵(lì)磁電感Im要越小，開(kāi)關(guān)管

的損耗會(huì)增大.所以通常情況下，我們把K值取在3-7之間.

400VInputLossCompanson

當(dāng)我們確定K值后,就可以得到一組Q值曲線。我們?nèi)绾稳ダ斫膺@個(gè)Q值曲線呢？當(dāng)我們的輸入和輸出電壓固定的時(shí)候,并且變

壓器變比固定的時(shí)候,根據(jù)上面的公式，我們是可以得到一個(gè)固定的我們所需要的諧振槽路的增益M.當(dāng)對(duì)應(yīng)于某一個(gè)輸入電壓時(shí),

我們需要諧振槽路提供的增益為Mx,我們可以在Q值曲線上畫(huà)?條Mx的直線,Mx這條直線和Q值曲線相交的點(diǎn)，就是LLC

在不同負(fù)載下的工作點(diǎn)。

xc

f

:

*3

■

上

-g

k

。

片

f

從圖上我們可以看到，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，Q值也增大，Q值曲線左移，Q值曲線與Mx相交點(diǎn)的頻率是降低的.因此我們可以看到當(dāng)

負(fù)我增加的時(shí)候,LLC的工作頻率是減小的.從物理意義上來(lái)講，當(dāng)負(fù)我阻抗Rnc減小的時(shí)候,Lr與Cr構(gòu)成的串聯(lián)諧振網(wǎng)路上的阻

抗也要減小，以維持Rac上得到的分壓不變。只有通過(guò)降低頻率才能使Lr和Cr構(gòu)成的串聯(lián)阻抗