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ST-AN2644 LLC谐振半桥转换器简介翻译

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EvanYuen
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初级工程师
  • 2020-4-2 14:00:16
ST-AN2644
LLC谐振半桥转换器简介
前言:
虽然谐振变换器已经存在好多年了,但是在众多的拓扑中,最近只有LLC谐振半桥拓扑受到欢迎,其主要得益与LLC拓扑的半桥实现。在许多应用中,诸如平板电视,85+ ATX PC或者小尺寸PC,他们对电源的效率和功率密度要求越来越苛刻, LLC谐振半桥在拥有很多自身的优点和比较少的缺点下比较合适这类应用。工程师在处理这种拓扑结构时面临的主要困难之一是缺乏详细介绍LLC拓扑工作原理的资料。所有本引用指南的目的就是为读者从原理上从细节上介绍LLC的工作过程。

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EvanYuen
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初级工程师
  • 2020-4-2 18:13:22
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目录:
1.    谐振变换器的分类   
2.    LLC谐振半桥变换器
2.1        概述      
2.2        开关机理      
2.3        基本工作模式
2.3.1    工作在谐振频率 (f=fR1)   
备注               
2.3.2  开关频率高于谐振频率(f>fR1)  
       连续模式A(CCMA)工作在重载            
       备注        
       断续模式A(DCMA)工作在中等负载
       备注      
       连续模式B (DCMB)工作在轻载模式
       备注      
2.3.3      开关频率低于谐振频率 (fR2<f<fR1,R>Rcrit)
       断续模式AB(DCMAB)工作在中等负载和轻载
       断续模式B(DCMB)工作在重载  
       备注  
2.3.4 容性模式开关频率低于谐振频率(fR2<f<fR1,R<Rcrit)      
          备注  
      2.4 空载模式
      2.5 过载和短路操作模式
      2.6 变换器启动时序  
      2.7 功率损耗分析      
      2.8 小信号模型分析
          2.8.1  开关频率高于谐振频率(f>fR1)  
           2.8.2  开关频率低于谐振频率(fR2<f<fR1,R>Rcrit)
           2.8.3 开关频率等于谐振频率(f=fR1)
3.    结论   
4.    索引   
5.    附录A  ZVS工作模式下的功率MOSFET驱动能量
6.    附录B  半桥中点的谐振状态过度
7.    附录C  功率MOSFET输出电容COSS和半桥中点的过度时序
8.    附录D  功率MOSFET在关断时的功率损耗
9.    附录E  LLC谐振半桥使用上下双谐振电容
10.  历史版本

EvanYuen
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  • 2020-4-2 18:17:25
  • 倒数5
 

1  谐振变换器的分类
谐振转换器这个话题最少已经有30年之久,由于其显著的优点——平滑的波形,高效率和高功率密度,许多大学和工业机构已经付出了很多时间和努力对其做了研究。然而该技术一直被局限在离线供电设备中的小众应用,举例来说比如高电压电源或音频系统。最近,一方面由于一些新兴应用的出现,比如平板电视等,另一方面由于一些对能源利用效率的强制或非强制法案的出台,从而推动了设计人员去寻找一种效率更高的AC-DC转换拓扑。诸如这些已经改变和扩大了人们对谐振变换器的兴趣。通常来讲,谐振变换器是一种包含了谐振电路并且该电路主动参与电源输入输出的开关转换器。谐振变换器的家族非常庞大,要提供一张完整的图形描述非常不易。为了帮助研究这些谐振变换器家族,可以将其公共特性提取出来进行分析。它们都是基于一种“谐振逆变器”,比如一个系统把DC电压转换为正弦电压(更一般来说,转换为一个低谐波的AC电压)并且输出AC功率到负载。开关网络一般会产生一个方波电压,方波的基波成分会被施加的谐振电路。这样的话谐振网络将主要对基波作出响应,而忽略高阶谐波,所以它的电压和/或电流,以及负载的电压和/或电流,基本上是正弦的或分段正弦曲线。如图2所示,一个谐振DC-DC变换器可以通过整流和滤波谐振逆变电路为负载输出一个DC功率。


EvanYuen
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初级工程师
  • 2020-4-2 18:18:29
  • 倒数4
 
基于不同的开关网络和不同特征的谐振槽路参数,比如不同数量的被动元件和配置,可以搭建起不同类型的DC-AC逆变器 [1]。
至于开关网络,我们将把精力集中在像半桥或者全桥开关网络这样的电压和时间都具有对称性的开关网络上,以驱动谐振槽路。借用功率放大器的术语,开关逆变器被这样的对称开关网络驱动被认为是“D类谐振换流器”。
至于含有两个被动原件(一个电感和一个电容)的谐振网络,可以总共有8中不同的配置,但其中只有四个实际上可用于电压源输入。其中两个拓扑已被众所周知,即串联谐振变换器和并联谐振转换器,并在文献[2]中进行了彻底分析处理。
拥有3个被动元件的谐振网络可以有36种不同的组合,但其中只有15种配置可以做为电压源输入。这其中的一个通常被称作LCC变换器,因为它由一个电感和两个电容组成,负载并联在其中一个电容上面,这通常应用在电子镇流器中应用气体放电点亮节能灯管。与之对应,由两个电感和一个电容组成,负载并联在电感上面,被称为LLC换流器。

EvanYuen
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初级工程师
  • 2020-4-2 18:20:50
  • 倒数3
 
如前所述,对于任何一个谐振逆变器都有一个DC-DC谐振转换器与之关联,可以通过整流和滤波谐振逆变器获得输出。可以预见,上述提到的转换器类别将产生“D类谐振转换器”。 考虑到离线应用,在大多数情况下,整流网络将通过变压器耦合到谐振转换器,以保证安全法规所要求的隔离。为了最大化转换器处理的能量的使用,整流网络可以配置为全波整流,其需要变压器次级安排一个中心抽头,或者配置为桥式整流,此时次级不需要抽头。第一种整流应用于有低电压/高电流输出;第二种整流应用与具有高电压/低电流输出。至于低通滤波器,对于不同的谐振网络配置,它可以由只有电容或者一个电感和一个电容的平滑滤波器组成。在文献[2]中描述的所谓的“串联-并联转换器”,通常应用于高压电源,它来源于前面提到的LCC谐振转换器。与之对应的LLC逆变器,与之同名的变换器,在[3],[4]和[5]中有所说明,这将是接下来要讨论的主题。我们将特别考虑半桥实现,如图3所示,但是从半桥扩展到全桥将比较容易。
在谐振逆变器(和转换器)中,功率输出可以通过改变方波电压的频率或其占空比或两者来控制,或者通过诸如相移控制的特殊控制方案来控制。在这种情况下,我们将重点关注通过频率调制的功率传输控制,即通过改变方波的频率使之更接近或更远离谐振电路的谐振频率,同时保持其占空比固定。

EvanYuen
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初级工程师
  • 2020-4-2 18:25:06
  • 倒数2
 
2  LLC谐振半桥变换器
2.1 概述
根据命名谐振转换器的另一种方法,LLC谐振半桥属于多谐振转换器系列。实际上,由于谐振槽路包含3个被动元件(Cr,Ls和Lp,如图3所示),这个谐振电路有两个谐振频率。其中一个与二次绕组的导通情况有关,导通时励磁电感Lp被次级负载和低通滤波器动态短路而消失(这时有一个恒定的电压Vout加载负载两端):
公式1:

另外一个频率和次级线圈开路有关,此时谐振电路将从LLC转变为LC,因为这时Ls和Lp可以被看做一个电感:
公式2:

显然fR1>fR2。通常fR1被认为是谐振电路的谐振频率,fR2被叫做第二谐振频率。fR1和fR2之间的间隔取决于Lp与Ls的比率。比率越大,两个频率的间隔越大,反之亦然。Lp/Ls是一个重要的设计参数。可以证明,当频率f>fR1,谐振网络的输入阻抗是感应的,当频率f<fR2时,谐振网络的输入阻抗是容性的。在频率范围fR2<f<fR1中,谐振网络的输入阻抗既可以是感性的也可以是容性的,取决于负载的阻抗。这里存在一个重要的阻抗值Rcrit,当负载R<Rcrit时谐振网络的阻抗是容性的,当R>Rcrit时谐振网络的阻抗是感性的。对于一个给定的谐振电路,Rcrit的值取决于开关频率。更确切地说,在文献[6]中显示,对于任谐振电路配置(特别是对于LLC):

公式3:


其中Zo0和Zo∞分别为谐振网络输出阻抗在输入源短路和开路  情况下面的值。

bihailiang
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  • 2022-10-27 16:33:41
  • 倒数1
 
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