LLC工作原理分析

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、fsfR1、fR2fsfR11.2fs=fR1工作过程1.3fsfR1工作过程1.4fR2fsfR1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=fR1fsfR1fR2fsfR1fs=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。fsfR1时工作波形当fs=fR1及fsfR1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fsfR1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。fsfR1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)/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.fsfR1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。fR2fsfR1时工作波形当fR2fsfR1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。fR2fsfR1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。fR2fsfR1工作过程由于fsfR1,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：12Vdc（25A）输出最大功率：Pout=300W选择谐振频率：fr=115KHz二、计算问题讨论一、输出电流不对称目前知道有三种原因：1.变压器输出两个绕组对次级的漏感不对称，可并绕解决。2.PCB板上变压器与两整流管之间走线长度相差大，PCB排板注意。3.驱动信号不对称，可试节驱动电路参数使其对称。