為何要運用LLC諧振電源以及如何實現零電壓開關

2021-01-10 電子發燒友

LLC諧振變換器的優勢!電路分析架構如下:

第一,電路結構相對簡單,有較高的效率。

第二,它可以在整個運行範圍內,實現零電壓切換(ZVS)。所有寄生元件,包括所有半導體器件的結電容和變壓器的漏磁電感和激磁電感,都是用來實現ZVS 的,ZVS的實現具備的參數特性如何分解;首先看看電路的工作機理:

LLC架構的穩壓原理;將上述電路架構進行參數等效分析:

A.輸入電壓或負載(RL)變化時引起VR電壓變化

Zc=1/sCr   ZL=sLr  s=2лf

B.迴路中確定Cr&Lr的參數:上述等效電路通過改變頻率使1/sCr+sLr(1/2лfCr + 2лfLr)與Rac的分壓相應改變,最終維持負載電壓不變,即VR不變

當上面是有固定輸入的PFC電壓設計時,系統的負載變化時會造成系統工作頻率的變化,當負載增加時, MOSFET開關頻率減小,當負載減小時,開關頻率增大。

其電路的特點:

1.LLC 諧振變換器可以在寬負載範圍內實現零電壓開關。

2. 能夠在輸入電壓和負載大範圍變化的情況下調節輸出,同時開關頻率變化相對很小。

3. 諧振變換器採用頻率控制,上下管的佔空比各近似為50%.電路工作沒有偶次諧波分量,有好的EMI特性。

4. 無需輸出電感,可以進一步降低系統成本。

5. 對於低壓大電流設計如果輸出採用同步整流MOS,可以進一步提升效率。

設計中對於諧振電容的最小值要求:

Cr電容充當直流電源:存儲能量足以支撐Q2導通期間為負載提供能量

滿載功率為Pomax,最大輸入電壓Vinmax,電容存儲的能量=直流電源的在Q1導通期間提供能量滿足如下公式要求:

Cr最小容值滿足:

通過對LLC變換器ZVS狀態下的模態分析:

在開關管關斷時刻,諧振槽路存儲的磁能必須大於兩個開關管輸出電容完成一次充、放電所需的電能,表示為:

式中Imoff是Q1關斷時刻磁化電感Lm的電流;節點Va處的總電容Czvs

為了防止直通現象,需要在兩個驅動信號之間增加一個死區時間Td,確保一個開關管徹底關斷後才允許另一個開關管開啟!

為了達到ZVS,在兩個MOSFET輪換開通之間存在死區時間TD。由於工作在感性區域,因此輸入電流滯後於輸入電壓,當半周期結束時,諧振腔的電流Ir仍然在流入,這個電流可以消耗儲存在Czvs上的電荷,從而使節點Va點的電壓降為零,所以在另一個開關MOS開啟時為零電壓開通。

在半周期結束時,諧振電流腔中的電流必須可以保證在TD時間內,將Czvs的電荷消耗完,這就是ZVS的充分條件! 滿足基本表達式如下:

通過表達式:減少Td意味著增加Imoff,使得開關損耗和導通損耗增加。上式就變為磁化電感最大值的限制條件;

對於LLC 諧振電路來說死區時間的初始電流:

LLC諧振變換器能夠實現ZVS必須滿足:

通過上面的表達式,我們可以通過以下三種方式讓LLC實現ZVS.

第一, 增加IZVS.

第二, 增加死區時間。

第三, 減小等效電容Cds1&Cds2或者器件的Coss.

在實際我們調試時發現,在開機啟動時LLC-諧振變換器啟動時存在二極反向恢復硬開關問題;

LLC-諧振變換器啟動時二極反向恢復/理論分析(如下示意圖參考)

LLC-諧振變換器啟動時的二極反向恢復硬開關問題,如何改善?

由於LLC工作狀態是ZVS;建議儘量增大開通電阻Rg1on&Rg2on

LLC啟動時上管的D1反向恢復迴路通過設計高頻C 降低電流

我們是否還有更好的方法?當然優秀的LLC設計控制IC也會是不錯的選擇的!!

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