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另类LLC软开关

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boy59
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  • 2015-12-20 22:51:15
一般软开关都是通过LC谐振实现的,在非可变电感、电容的前提下电路的谐振开关频率是固定的。全谐振软开关没有开关损耗但也没有调压的功能,纯硬开关有调压的功能但也有开关损耗,LLC电路多引入了一个L可近似的认为是一个谐振软开关和一个硬开关的合成所以LLC电路的特性介于软开关和硬开关之间,LLC电路是一种折中的方案调节范围既没有硬开关宽开关损耗又比谐振软开关大,偶然发现LLC电路也可以像Boost电路一样控制又类似于反激的QR模式,见下面仿真图
另类软开关.jpg
                                         图1 Boost电路同LLC软开关的三种模式对比
   在图1Boost电感电流的变化规律跟LLC电路中的Lr电感电流(包络线)比较接近,从这个方面来说LLC电路可以像Boost电路一样来控制。
放大图.jpg
                                          图2 临界模式局部放大图
  在图2PWM信号都是在零电流或者零电压的时刻开启关闭的,这种自动追踪零时刻跟反激的QR模式又比较类似,理论上这种工作方式可以完全消除开关损耗同时又具备调压的功能,似乎可以解决谐振与可调,定频与可变占空比之间的矛盾。

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  • 2015-12-21 23:11:28
 
实现上述功能的最简单电路如图3
最简电路.jpg
                                           图3 最简Boost+LLC电路
如图3在一个LLC电路后级加入一个二极管和一个MOS开关就构成了这种Boost+LLC电路,如果把PWM开关放在前级这个电路的效率会更高。
3电路的仿真结果如下
软开关波形.jpg
                                              图4 Boost+LLC开关电流电压波形
电路的前级按照谐振状态的LLC电路来控制后级的PWM信号在零电压或者零电流时刻切换,图4的仿真结果可以看出前后级的开关都工作于软开关状态。

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  • 2015-12-31 14:47:58
 
对单个电感加恒定电压电感中的电流会线性增加遵循公式I=U/L*t,对电感、电容串联电路加一恒定电压并保持电路工作与谐振状态这两种情况的波形对比如下
线性特性.jpg
                                                                    5 单电感同LC串联在恒压驱动下的电流对比
5中对于单电感其结果同理论是一样的,对于LC串联电路其电流包络线达到某一最大值后不再增加,在理论上LC串联如果达到谐振状态其等效阻抗为零最终电流也可以达到无穷大。试过修改LC参数、调节谐振状态(欠谐振过谐振)都没能解决这个问题,不知那位大侠能帮忙解惑一下。

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  • 2015-12-31 15:04:50
 
在图5中的前一段LC串联电流包络线变化接近于线性,调节电路的参数使电路电流在不超过100A时单电感电流同LC串联电流的包络线近似相等如下图6
线性特性放大.jpg
                                                                              6 100A电流以下单LLC电路电流近似相同
56中对LC串联电流做了变化,去掉负半周电流并将正半周电流乘2这样就得到了等效的转换后的LC串联电流,目的是让单电感同LC串联电路电流变化斜率相同从而对比在此参数下的两种不同电路。

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  • 2015-12-31 15:20:41
 
这里把LC串联当成一个“电感L”来看待搭建一个boost电路对比一下这两种电路,boost电路在临界和连续模式下会自动稳压不需调节占空比,下面仿真的是负载线性变化电路从临界到连续模式的波形。
连续模式动态负载.jpg
                                                                                            7 临界到连续模式两电路对比
从图7的结果看两电路电流电压波形非常的相似,节后准备再仿一下输入带纹波的情况,对比这两电路看看特性是否依然相似。

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  • 2016-1-5 11:48:20
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前面的仿真输入的都是恒压源,现在把输入源换成交流电经整流桥后再大电容滤波的带纹波的输入源。输出负载仍然是线性变化的(7欧姆-1欧姆)仿真结果如下
输入纹波.jpg
                                     图8  输入、输出都动态变化的对比波形
动态的输入输出条件下这两个电路的特性依然相似,下一步准备让输入纹波继续增大直接去掉输入大滤波电容,让这两个电路实现PFC功能再对比这两个电路的特性。

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  • 2016-1-6 09:16:41
  • 倒数9
 
lianxu.jpg
                                   图8  工作于PFC模式的单电感BoostLC串联Boost
如图所示单电感Boost电流和LC串联的Boost电流波形比较接近,换言之用LLC实现的LC串联谐振电路替换单电感可以实现与原电路相近的特性,如上面仿真所采用的硬开关Boost电路,同时还能保持全谐振电路软开关的特性。

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  • 2021-10-2 19:54:36
  • 倒数1
 
这种LLC+buck的输出纹波较大,如果LLC工作在fw>fr的情况下,可能纹波电压会小些
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  • 2016-1-6 09:22:10
  • 倒数8
 
LLC+Boost这种模式可以实现升压型全谐振软开关,那么是否可以采用LLC+Buck模式实现降压型全谐振软开关?

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  • 2016-1-7 09:43:18
  • 倒数7
 
LLC+Buck模式实现起来比预期的要简单,采用普通的LLC电路更改一下控制方式就可以了。
下面是普通的Buck电路同Buck模式的LLC电路的对比
buck llc.jpg
                                       图9 硬开关Buck同软开关Buck的电路对比
图9中的(1)是常见的Buck电路,图(2)功率电路部分是一个普通的LLC电路,控制上略有不同将上管驱动信号通过与的方式同PWM信号调制,同时让LLC始终工作与谐振状态,这样就可以实现Buck模式的全谐振软开关。
仿真结果如下
buck波形图.jpg
                                        图10 Buck硬开关同全谐振Buck软开关的波形对比
如图10所示Buck模式下的LLC软开关同硬开关Buck特性也非常的相似,另外Buck模式可能会优于Boost模式因为负载是始终串联在LC谐振回路的,电路中的Q值比较低有利于限制谐振环路的峰值电流、电压。
把10图局部放大观察Buck模式下LLC的上管下管电流电压波形
Buck软开关波形.jpg
                                         图11Buck模式下的LLC软开关波形

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  • 2016-1-7 12:11:39
  • 倒数4
 
调制模式的LLCBuckBoost)其调节范围及软开关效率均优于普通的调频LLC,不过调频模式的LLC具有升、降压的功能这在降低储能元件成本及效率上有优势,其实图3Boost+LLC电路也具备升、降压的功能,这个电路可以看成是Buck+Boost的组合电路见下面对比图
Buck Boost.jpg
                                        图12软硬开关Buck+Boost电路对比
对于宽范围输入,这种具有升降压功能电路的优势个人理解如下,先假设输入电压100-300V,输出电压200V,额定负载,磁芯处理的功率为PB^2*AC*Lg,对于单Boost或单BuckBuck-Boost组合电路对磁芯的需求如下图
电感设计.jpg
                                      图13  单模式与升降压型电路对磁芯的需求
例子中的额定功率为3,按单Boost或单Buck来设计需要功率容量9的电感,按Buck-Boost组合设计只需要功率容量6的电感就够了。在最坏的情况下单Boost或者单Buck电路要处理2倍额定功率也就是6Buck-Boost组合式只处理1倍额定功率也就是3,那么在磁芯效率上Buck-Boost电路也就高于单模式电路。最理想情况下Buck-Boost电路可以达到理论100%的效率(直通)。

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  • 2016-1-8 09:17:52
  • 倒数3
 
开环情况下这种Buck-Boost升降压软硬开关电路波形如下:
宽范围LLC波形.jpg
                                                             图14升降压型Buck-Boost软硬开关电路波形对比
仿真中输入电压为25-75V连续变化输出电压为50V,当输入电压高于50VBuck电路工作Boost开关保持关闭,当输入电压低于50VBoost电路工作Buck开关保持常开,Buck模式和Boost模式之间可以无缝切换。图中的软开关Buck-Boost电路可以达到硬开关同样的输入输出效果,在效率上由于全程都是软开关效率会较高有利于高频化小型化,预计这种模式的电路可以将性能和成本做到极致。

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  • 2016-1-7 09:54:08
  • 倒数6
 
功力深厚,点个赞!
这种Bus converter+Buck的做法,确实有人在负载点电源中用到过,不过boy兄的控制方法更牛一些,直接省掉了中间的电容。
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  • 2016-1-7 12:10:13
  • 倒数5
 
谢谢鼓励
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  • 2016-1-11 10:16:20
  • 倒数2
 
这种电路的难点在全谐振LLC的实现上,理论上只要让驱动信号工作于谐振频率就可以,而实际上批量生产时电容电感的一致性、工作温度环境变化后的参数漂移等等都会使谐振频率发生改变,要实现全谐振LLC采用电流控制模式应当是最理想的,Vicor的正弦振幅变换器(SAC)估计就是采用的电流模式。
电流模式的LLC控制芯片现在还很少,是否可以采用现有的压控振荡(VCO)模式的控制芯片来实现全谐振软开关?

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