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LLC谐振变换器的拓扑结构及工作原理

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Chrissasika
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LV2
本网技师
  • 2024-2-24 16:23:51
    在半桥串联谐振变换器(SRC)的基础上串联一个电感可得到LLC谐振变换器,其结构如图1所示:
            

LLC谐振变换器的拓扑结构

LLC谐振变换器的拓扑结构

                    1.LLC谐振变换器的拓扑结构
    主要由方波输入网络、谐振网络、高频变压器、整流网络以及负载组成,其中方波输入部分包括两个功率开关管,谐振网络包含谐振电容C、谐振电感L,以及励磁电感Lm。变压器原边功率管Q1、Q2的占空比各为0.5,并以固定的死区时间互补导通,通过 控制开关频率实现变换器增益的改变。LLC谐振变换器存在两个谐振工作点,Lm不参与谐振时电路的谐振频率可表示为fr,Lm参与谐振时电路的谐振频率可表示为fm,分
别如下式所示:
        

工作频率

工作频率

    根据工作频率fs与谐振频率fr的关系可分为三个阶段:fm<fs<fr,fs=fr,fs>fr,
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
①:fm<fs<fr;
           

主要工作波形

主要工作波形

               2.fm<fs<fr时的LLC谐振变换器的主要工作波形
    如图2所示,Vgs_Q1、Vgs_Q2分别代表半桥上下侧功率管的驱动信号,ir、im分别代表变换器谐振网络的谐振电流和变压器绕组上的励磁电流;VSR1和VSR2分别代表变压器副边整流管的电压,iSR1、iSR2分别代表整流管上流过的电流。根据电路一周期内的工作状 态可将其分为6个阶段:
阶段一(t0-t1):
    t0时刻Q2关断,进入死区时间,桥臂上管的输出电容Coss1开始放电,下管的输出电容Coss2开始充电,此阶段谐振腔流过反向电流,且电流ir的绝对值小于励磁电流im的绝对值,励磁电流上的一部分能量传递到变压器副边,变压器原边绕组电压上正下负,副边绕组感应电压为上正下负,副边整流管SR1导通,励磁电感Lm的钳位电压为nV0,为线性充电状态,因此励磁电感电流在此阶段线性上升,其大小为im=nV0/Lm,此时间段内的Lm不参与谐振,只有Lr和Cr一起参与谐振。由于电容Coss1为放电状态,其放电结束时谐振电流继续反向流过开关管的体二极管,若没有及时驱动开关管Q1导通,开关管Q1将会工作在反向导通状态,会带来较大的损耗。此过程直至t1时刻谐振电流降为0结束。其状态模型如下图3所示:
   

1

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            3.阶段一(t0-t1)时刻
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阶段二(t1-t2):
    t1时刻驱动开关管Q1导通,此时谐振电流开始正向增大,开关管Q2处于断开状态,无电流流过,谐振腔流过正向的谐振电流,此阶段的励磁电流:由反向流动变为正向流动,变压器原边绕组上的能量传递至副边绕组,电压为上正下负,整流管SR1继续导通,励磁电感Lm电压继续钳位在nV0,为线性充电状态,在t2时刻,谐振电流ir等于励磁电流im,此时副边整流管SR1的电流iSR1降为0,为整流管SR1的ZCS做好准备。此过程电路状态模型如图4所示:

   

阶段2(t01-t2)时刻

阶段2(t01-t2)时刻

            4.阶段二(t1-t2)时刻
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阶段三(t2-t3):
    在阶段二时励磁电感线性充电,励磁电流上升,直至t2时刻与谐振电流相等,在此阶段,变压器原边绕组无能量传递至副边,因此副边整流管SR1的电流iSR1降为0,自然关断。励磁电感L与谐振电感Lr以及谐振电容Cr三者共同参与谐振,输出电容维持负载能量,此过程直至t3时刻开关管Q1关断时结束,其电路状态模型如图5所示:
   

阶段3

阶段3

            5.阶段三(t2-t3)时刻
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阶段四(t3-t4):
    t3时刻开关管Q1关断,进入死区时间,此时开关管Q1的输出电容Coss1开始充电,开关管Q2的输出电容Coss2开始放电,此阶段励磁电流im大于谐振电流ir,变压器原边绕组电压为下正上负,副边绕组感应电压为下正上负,整流管SR2开始导通,励磁电感lm的钳位电压为-nV0;与阶段一相似,若不及时驱动开关管Q2导通,开关管Q2将会工作在反向导通状态,增加损耗。此过程直至t4时刻谐振电流ir降为0结束。其电路状态模型如图6所示:
   

阶段4

阶段4

            6.阶段四(t3-t4)时刻
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阶段五(t4-t5):
    t4时刻驱动开关管Q2导通,但此时谐振电流ir仍然大于励磁电流im,变压器原边绕组电压为上正下负,副边绕组感应电压也为上正下负,此过程与阶段二相似,SR1承受反压,负载电流将从SR1的体二极管中流过,当励磁电流im大于谐振电流ir时,SR2立即导通。此过程直至t5时刻谐振电流ir等于励磁电流im结束。此阶段电路状态模型如图7所示:
   

阶段5

阶段5

            7.阶段五(t4-t5)时刻
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阶段六(t5-t6):
    t5时刻,ir=im,之后谐振电流ir和励磁电流im同时减小,开始时谐振电流ir的绝对值小于励磁电流im的绝对值,变压器原边绕组电压为上负下正,一段时间之后,谐振电流ir的绝对值大于励磁电流im的绝对值,变压器原边绕组电压依然为上负下正,副边绕组感应电压在此阶段一直是上负下正,副边整流管SR2导通,此阶段电路状态模型如图8所示:
   

阶段6

阶段6

            8.阶段六(t5-t6)时刻
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