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标题:DC/DC变换器广泛采用LLC谐振电路,那么什么是LLC谐振电路呢?

迪龙科技/迪龙新能源


与传统脉宽调节PWM变换器不同,LLC是一种通过控制开关频率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。

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学习并理解LLC,我们必须首先弄清楚以下两个基本问题。

01. 什么是软开关?

02. LLC谐振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,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,如下图所示。

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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。

01. 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。

02. 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。

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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。

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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谐振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)

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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。

01. 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。

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02. 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。

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下面我们分析一下LLC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

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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,得到如下图简化电路。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。

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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。

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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。