白话LLC谐振变换器的基本原理

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描述

谐振变换器兴起原因

LLC作为一种典型的谐振变换器,它的兴起有以下两个因素:

高频运行降低无源器件尺寸

开关电源功率密度的提高,受到无源器件尺寸的限制。采用高频运行,可以大大降低无源器件(如变压器和滤波器)的尺寸。

谐振软开关减小高频运行损耗

提高运行频率,开关损耗势必会增加。谐振变换器由于能实现软开关,有效地减小开关损耗和容许高频运行,所以在高频功率变换领域得到广泛的重视和研究。

谐振变换器与LLC

谐振变换器分类

谐振变换器有多种不同的分类方法,根据负载与谐振威廉希尔官方网站 的连接关系,谐振变换器可以分为串联谐振变换器、并联谐振变换器、以及串并联谐振变换器。LLC就属于串并联谐振变换器

谐振变换器基本工作原理

谐振变换器的结构如下图所示

变压器

交流方波电压或电流加在谐振网络两端,产生高频谐振,谐振电压或电流经过整流和滤波后,转变成直流电压或电流,从而实现直流-直流变换(DC-DC)。

LLC变换器的特点

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威廉希尔官方网站

LLC变换器拓扑

半桥LLC

也称非对称半桥LLC,一般用于小功率场合,具有开关管数量少等特点。

变压器

电容分立半桥LLC

也称对称半桥LLC,工作原理与对称半桥LLC一样,只是谐振电容容量小,电流峰值也会较小。

变压器

全桥LLC

全桥LLC开关管相对于半桥LLC多,适用于大功率场合。

变压器

LLC谐振威廉希尔官方网站 由开关网络(半桥或全桥)、谐振电容(C)、谐振电感(L)、变压器励磁电感(L)、变压器和整流器组成

学习LLC,必须弄清楚以下两个基本问题:1) LLC如何实现软开关2) LLC如何改变电压增益

谐振软开关

开关损耗与软开关

如下图所示,普通拓扑的开关管都是硬开关, 在导通和关断时MOS管的漏源极电压VDS和电流IDS会产生交叠,电压与电流交叠的区域,即为MOS管的导通损耗和关断损耗

变压器

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)零电流开关(ZCS)**两种软开关办法。

零电压开关(ZVS)

使开关开通前其两端电压为零,也称为零电压开通,此时开关开通时漏源极电压VDS和电流IDS乘积为零,即开通损耗为零。

变压器

零电流开关(ZCS)

使电流关断前其电流为零,也称为零电流关断,此时开关开通时漏源极电压VDS和电流IDS乘积为零,即关断损耗为零。

变压器

**由于开关损耗与流过开关管的电流和开关管上的电压的乘积(V*I)有关,**当采用ZVS零电压导通时,开关管上的电压几乎为零,所以导通损耗非常低。 LLC正是实现了ZVS零电压开关

LLC如何实现软开关

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。

变压器

MOS管VDS电压和电流波形如下图所示,可以看出, 在MOS开通(VDS降为0)时刻,MOS管电流为负值(中间图蓝色部分),说明电流反向流经MOS体二极管,开关MOS管D-S之间电压被箝位在接近0V附近,此时MOS导通即可实现零电压开通

变压器

LLC如何改变电压增益

由简单的谐振威廉希尔官方网站 说起

我们将以电感和电容的基本威廉希尔官方网站 特性逐渐了解谐振威廉希尔官方网站 的特性。

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

1) RL威廉希尔官方网站

**如下图RL威廉希尔官方网站 ,**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

变压器

2) RC威廉希尔官方网站

如下图RC威廉希尔官方网站 ,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

变压器

3) LC威廉希尔官方网站

如下图LC谐振威廉希尔官方网站 ,我们将L和C都引入威廉希尔官方网站 中,可以发现, 当输入电压源的频率从0开始向某一频率f0增加时,LC威廉希尔官方网站 呈容性(容抗>感抗),增益随频率增加而增加,当从这一频率再向右边增加时,LC威廉希尔官方网站 呈感性(感抗>容抗),增益随频率增加而降低

这一频率f0即为谐振频率(此时感抗=容抗),谐振时威廉希尔官方网站 呈纯电阻性,增益最大。

变压器

4) LLC谐振威廉希尔官方网站

对于LLC谐振威廉希尔官方网站 ,可以得到与LC谐振威廉希尔官方网站 类似趋势的增益曲线, 峰值左侧呈容性(容抗>感抗),增益随频率增加而增加,右侧呈感性(感抗>容抗),增益随频率增加而降低

变压器

LLC输出稳定电压的原理

由以上介绍可知,我们可以通过调节输入电压源的频率,使整个威廉希尔官方网站 呈现为不同的等效阻抗,如纯阻性、感性和容性,对应不同的增益曲线,进而达到调节输出电压的目的**。**

将LLC威廉希尔官方网站 等效分析,得到如下简化威廉希尔官方网站 。 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的等效阻抗,从而改变分压比,使得输出电压稳定 ,LLC就是这样稳定输出电压的

变压器

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