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。
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。
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。
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)
。
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。
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。
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
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。
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。
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。