01谐振半桥LLC的基本原理
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。 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;正弦波再通过高频变压器传输到变换器的副边,并根据应用需求对电压进行升压或降压;最后,二极管整流器将正弦波转换为稳定的直流输出。
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。 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)有零电压开关 (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。 那么LLC电路是怎么实现软开关的呢?
从MOS管DS波形和MOS管电流波形可以看到,MOS管开通的时候,此时MOS管的电流还是在负半轴,这说明了MOS管的电压超前电流,所以谐振网络应该呈现感性。 之所以LLC谐振腔要呈感性,是因为需要电压超前电流,一旦呈感性,则谐振腔的电流在上管开通前的流通方向是负的,正是因为这个负电流,才能给上管放电、下管充电,使得上管MOS两端的电压为0,开通前为0了,那么开通时便实现了ZVS。如果呈容性,同理可知上管开通前,谐振腔电流方向为正,下管靠体二极管来续流,上管截止,当开通的时候,下管体二极管由于反向恢复时间的存在,有可能会使母线电压短路,从而炸管。
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; 带载时,LP两端的电压被嵌位,此时谐振频率
空载时,LP两端的电压没被嵌位,此时谐振频率
现在来讲讲谐振网络的工作过程,要想谐振网络呈感性,那么开关频率必须大于谐振频率,这样就有三种可能,fs=fr,fs>fr,fr2<><fr.< p=""><fr.<> 下面是设计时需要注意的一些事项: ①工作在纯阻性区域是我们理想的工作状态,因为阻性网络的品质因素最高,网络特性最好;工作在容性区域的话电流超前于电压,对于前级开关管而言容易实现ZCS 关断,这个区域比较适合IGBT;工作在感性区域的话电压超前于电流,对于前级开关管而言容易实现ZVS开通,这个区域比较适合MOSFET;对于中小功率电源而言普遍使用MOSFET,因此常规LLC拓扑开关电源选择工作于感性区域。 ② LLC 工作在感性区域,因此开通是 ZVS,但关断即不是 ZVS 也不是 ZCS,是硬开关的,关断损耗不可避免,但对于MOSFET 而言,开通损耗相对关断损耗大很多,对于LLC 的ZVS 而言是指开通时刻的ZVS,因此可以大大降低开关损耗。 ③计算LLC匝比的时候要用母线电压的一半,在LLC 上管开通的半个周期内母线给LLC 网络输入能量,这个能量一部分直接传递给输出,另一部分储存在网络内,在下管开通的半个周期内,依靠谐振电容和谐振电感输出能量。所以只有上半个周期母线给网络输入了能量,即时间的利用率是一半,等效于输入电压的利用率为1/2。 ④开关管是 ZVS 开通的,因此对于功率稍大的可以直接并联开关管,不存在弥勒效应或者说将弥勒效应降到最低。 ⑤ ZVS前提就是电压超前于电流,所以要满足LLC整个负载范围内都处于感性区域,这个最基本的一个条件,要实现开关管的ZVS,励磁电感峰值电流im 必须在死区时间内让即将开通开关管的结电容放电,直至电量放完,电压降到零。而已关断的开关管则同时将其结电容充电到输入电压。 02基本半桥与全桥的拓扑介绍
03移相全桥PSFB的基本介绍
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