逆变器拓扑（二）--LLC电路工作原理及功能详细介绍

H4全桥LLC电路拓扑一、基础介绍1、变压器参数介绍Lr串联谐振电感一般为变压器漏感、也可是外置电感与漏感之和Cr串联谐振电容Lm变压器励磁电感fr第一谐振频率由Lr和Cr决定。fm第二谐振频率由Lm、Lr和Cr决定。fsw开关频率fn归一化频率fnfsw/frQ值品质因数无功和有功的比值。K值励磁电感与谐振电感的比值。2、MOS管极间寄生电容介绍Ciss输入电容Crss反向输出电容/米勒电容Coss输出电容二、LLC电路要解决什么问题1、传统电源的问题在传统的开关电源如Buck、Boost中MOS管开通一瞬间管子两端电压很高VdsVbus此时电流瞬间增大则产生损耗会很高。粗略预估开关损耗问题点损耗高、效率低、发热严重且有相应管子应力问题。2、ZVS零电压开通的优缺点优点在MOS管开通前Vds电压已降到0V几乎无开通损耗。缺点管子关断时仍是硬关断损耗并未减少。当然还有设计复杂、输入电压范围、轻载时实现不了ZVS等问题后续会讨论。三、全桥LLC电路工作原理1、LLC电路实现ZVS的条件1开关频率fswfm保证电路工作在感性区2进入死区时电感储存的能量大于MOS管输出电容储存的额能量即电感进入死区瞬间电流3死区结束前待开通的管子Vds0V2、H4全桥LLC原边实现ZVS开通工作原理阶段1稳态导通Q1、Q4导通Q2、Q3关断电流路径Vds1Vds40VCoss1和Coss4储存能量为0Vds2Vds3VbusCoss2和Coss3分别储存的能量为。此阶段只在Cr--Lr--Lm之间进行谐振MOS管的Coss不参与谐振被电压钳位。阶段2死区阶段Q1、Q4关断Q2、Q3未开通核心工作阶段由于电感电流不能突变仍需维持原来的方向由于谐振电容Cr值远大于Coss的值Cr两端碾压变化极小可认为Cr不参与此阶段的谐振。Q3抽走Coss3储存电荷且Cds3和Cgd3两端电压开始降低直至下降到0VQ1由于Vds3开始小于VbusBUS开始对Coss1进行充电Cds1和Cgd1两端电压开始抬升直至抬升到VbusQ4电感将储存的能量给Coss4进行充电Cds4和Cgd4两端电压开始抬升直至抬升到VbusQ2由于Vds4开始大于0Cds2和Cgd2开始对BUS放电直至下降到0V。这个过程会持续到什么时候呢由于则电感两端电流不能突变否则电感两端电压会无限大。则只要电感电流不降到0这个过程会一直持续直到将Q2和Q3的Coss电荷降到0对应着Vds2Vds30V。Q2和Q3的Coss电荷充到最大Vds1Vds4Vbus。如果此时电感电流还没降到0且死区还没有结束则此时的续流回路是由于MOS管的体二极管压价较大则用Q2和Q3体二极管续流的损耗也较大这个时间应尽量短。这个过程中与Lr和Lm参与谐振的Coss2和Coss3储存的能量之和则要实现ZVS开通的充放电过程必须满足以下公式电感进入死区瞬间的电流。完美ZVS开通标志Q2和Q3的Vds降到0V以后此时MOS管的体二极管正常导通钳位DS电压。此时死区结束Q2和Q3开通无Q2和Q3体二极管续流损耗。阶段3稳态导通Q2、Q3导通Q1、Q4关断同阶段1阶段4死区阶段Q2、Q3关断Q1、Q4未开通同阶段23、工作过程中关键点解析3.1、稳态导通阶段为什么Lm不参与谐振稳态导通阶段变压器副边电压稳定则Lm两端电压被副边电压钳位无法参与Cr和Lr的能量交换故不参与谐振。3.2、开关频率fsw为什么要大于fm以Q1和Q4关断后进入死区为例实现ZVS的前提是回路呈感性即电感电流滞后还未降到零大于零。如果电路呈容性或阻性电流小于或等于零电容两端电压不能突变Cr持续给Q3的Coss充电进而Vbus也给Q2的Coss进行充电无法做到下一阶段Q2、Q3的ZVS开通。回路呈感性此时电流大于零且满足才能与Coss进行能量交换。根据电感电流不能突变给Q2、Q3的Coss进行放电Q1、Q4的Coss进行充电完成ZVS开通。3.3、LLC开关频率工作在fswfm、fmfsw和fswfr的区别1开关频率工作在工作在容性区管子硬开通电流超前电压进入死区时电流已反向无法给待开通MOS管输出电容放电无法将Vds降到0无法实现ZVS开通。2开关频率工作在工作在感性区原边实现ZVS开通副边实现ZCS关断电流滞后电压进入死区是电流不为0且继续按原方向流动。只要进入死区时电感储存的能量大于输出电容储存的能量且死区时间合适即可将输出电容两端的电荷完全释放保证待开通管子Vds0V实现原边ZVS开通。注此工作区在轻载条件或开关频率fsw接近fm时容易失去ZVS开通。由于则开关周期大于Lr-Cr谐振周期在半个开关周期内谐振回路可以完成一次震荡把副边电流降到0实现副边ZCS关断。副边电流本质是谐振电流减去励磁电流3开关频率工作在工作在感性区原边实现ZVS开通副边硬开通开关周期小于Lr-Cr谐振周期在进入电流降到0之前副边电流还有电流流过无法实现副边ZCS关断。ZVS开通和条件2一致3.4、为什么实现ZVS谐振的是功率管的Coss而不是单纯的Cds死区续流阶段要实现ZVS开通需将Vds从Vbus降到0V。此时Vgs电压保持不变由于VdsVgdVgsVds的电压在快速变化则Vgd的电压也会快速变化。且Cds和Cdg都是把自身电荷放掉。又因为则Cgd与Cds的电荷都要参与谐振即实现ZVS谐振的电容是Coss。Cgd一方面进行储能交换另一方面产生米勒位移电流减缓Vds变化速度增加充放电所需时间。注虽然一般Cds远大于Cgd但因为Cgd的米勒效应故影响也较大。3.5、稳态导通阶段Coss为什么不参与谐振稳态导通阶段Vgs电压固定Vds被短路VgdVgs电压也被钳位固定没有电压变化也就没有电流变化没有电荷转移。即Coss不参与稳态谐振。3.6、死区阶段为什么谐振电感Cr不参与ZVS充放电谐振正常导通阶段CrLrLm参与谐振死区续流阶段CossLrLm参与谐振死区续流时Cgd和Cds上的电压要放到0V。但Coss一般都是pF--几nFCr则是零点几uF--uF级别则Cds电压下降到0V时Cr两端的电压几乎无变化。故认为死区阶段Cr不参与谐振充放电。数学推到Coss和Cr串联则CossCr≈Coss。故死区阶段不参与谐振充放电。四、全桥LLC实现原边ZVS工作的核心点及其原理4.1、LLC电压增益公式推导令电压增益由于则得出电压增益如下---式一注时增益G最大时增益G1。4.2、死区时间范围死区时间太短则无法使Coss的电荷放完Vds0无法实现ZVS开通死区时间太长在死区时间内先将Coss的电荷放完再将电感电流降到0。如果此时死区还未结束预开通MOS的Vds钳位失效且回路中所有电容和电感会参与震荡无法达到ZVS开通效果。最小死区时间推导电感在死区时间内要搬运大于等于电容的总电荷注此公式内默认电流下降是线性的故实际计算中可放大1.3--1.5倍裕量。越小最小死区时间越大最长死区时间推导需保证励磁电感Lm在死区时间内电流最小降到0励磁电感在进入死区瞬间流过的电流为励磁电感两端电压。随着死区时间的增大而减小。从而退出死区的时间范围如下---式二4.3、进入死区时的最小谐振电流为实现ZVS开通则进入死区瞬间的谐振电感Lr和励磁电感Lm储存的能量要大于待开通功率管输出电容储存的能量即---式三4.4、LLC工作频率范围1开关频率最大值开关频率太高即使处于感性区则进入到死区时可能因谐振电流太小无法将待开通MOS管输出电容Coss的电荷放完依然丢失ZVS。全桥方波的基波电压峰值此时则。此时感抗远大于容抗。则电感峰值电流因为足够大则刚进入死区时电感电流从峰值电流变化很小即。由式三可得2开关频率最小值为保证ZVS开通必须工作在感性区即开关频率的工作范围---式四4.5、副边反射到原边的等效交流电阻Rac表达式核心思想交流输入功率直流输出功率功率守恒即。定义变压器原边绕组匝数是副边绕组匝数是定义匝比副边直流输出电压为副边直流输出电流为直流负载电阻为整流桥前的副边绕组电压是一个幅值为的交流方波此方波进行傅里叶展开其基波分量一次谐波FHA的峰值为基波有效值RMS为反射到原边基波电压有效值直流输出功率交流输入功率假定传输过程中无功率损耗则副边反射到原边的等效交流电阻Rac表达式---式五4.6、K值和Q值对LLC电路的影响LLC电路增益曲线LLC增益公式增益电抗项增益阻尼项变压器固有元器件参数无功与有功的比值完全由输出负载决定。是全腔阻抗由容性转感性的频率点也是LLC保证ZVS工作的最低频率下限。4.6.1、K值影响K值取值范围一般是个位数经验值4-6。为消除Q值对增益的影响在空载条件下研究K值对增益的影响。空载时则阻尼项B0。固定频率对电抗项A求增益极值电抗项A随K值的增大而增大则增益G随K值的增大而减小随着G值的降低而升高。具体如下1K减小一般是励磁电感Lm减小K减小极点远离谐振点。此时越接近增益峰值越高曲线越陡。2K增大一般是励磁电感Lm增大K增大极点接近谐振点。此时越远离增益峰值越低曲线平缓。4.6.2、Q值影响Q值对峰值增益的影响固定K值固定频率对增益关于Q求导令随着Q的增大增益会持续降低峰值增益也会减小。Q值对峰值峰值位置的影响带载时峰值增益不在处。Q越大峰值越像高频偏移。具体推导偏长大致思路就是求导求极值Q值对全频段曲线的分区间影响区间频率范围Q值影响低频升压段Q越大增益下降越剧烈谐振峰值被压抑越严重---这是调压范围的瓶颈串联谐振点增益恒为1与Q值无关高频降压段Q值越大增益越低下降越严重Q值对调压范围的影响LLC靠调频稳压输入低电压时降频升压输入高电压时升频降压。Q小Rac大轻载。峰值增益高低频升压能力强能承受更低的收入电压范围调压范围宽。Q大Rac小重载。峰值增益低低频升压能力弱输入可调范围窄。设计时要以最大负载Q最大时为基准校核电压增益否则重载会掉压。4.6.3、K值和Q值的耦合影响总结变化趋势峰值增益峰值位置曲线形状调压范围ZVS特性K增大降低略向低偏移更平缓低压范围收窄感性区变宽K减小升高略向高偏移更陡峭低压范围拓宽感性区变窄Q增大重载显著降低趋近高频Fn1峰降低低压范围明显收窄谐振电流大ZVS能量充足Q减小轻载显著升高趋近低频Fnm峰尖锐低压范围更宽谐振电流小高频容易失去ZVS总结k 决定 骨架k 越小谐振峰越陡、升压越强但 ZVS 区间越窄k 越大曲线越平缓、ZVS 越容易但升压能力弱Q 决定 阻尼Q 越大负载越重谐振峰被压得越低、峰值越向谐振点偏移、低压调压范围越窄Q 越小则相反两者共同决定增益曲线的峰值高度、峰值位置和全负载调压能力工程设计需在 升压能力 与 ZVS 可靠性 之间折中。参考文献(20 条消息) 彻底搞懂LLC电源设计从ZVS原理到参数计算这篇就够了 - 知乎