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深入解析LLC谐振变换器电路设计及其工作原理

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CC_Tasya
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LV6
高级工程师
  • 2024-5-24 11:03:49

LLC谐振变换器作为谐振开关技术的重要拓扑之一,具有高效率,调压特性好,宽负载变化范围内工作特性优良等特点,应用场景广阔。本篇文章对LLC变换器的常见拓扑结构、调制方式以及工作模态进行讲解。

一、拓扑构成

LLC谐振变换器电路拓扑主要包含开关电路、谐振电路以及整流电路三个部分。LLC谐振变换器的拓扑结构多样,下面是两种常见的电路结构。以全桥LLC变换器为例,开关电路为由开关器件S1~S4构成的全桥逆变电路;谐振电路包含谐振电感Lr、谐振电容Cr以及励磁电感Lm,并与变压器原边连接;变压器副边为由二极管D1D2构成的全波不控整流电路,与输出电容Cf连接后接入负载。

LLC谐振变换器电路拓扑与工作原理分析_01.jpg

二、调制方式

LLC谐振变换器常用的调制方式有脉冲频率调制(PFM)、移相调制(PSM)以及脉冲宽度调制(PWM)。由于LLC变换器的谐振特性,脉冲频率调制(PFM)方式最为常用。此外为了提升变换器的工作性能,一些混合控制方式被陆续提出。各种常用调制方式的电压增益范围、控制参数以及调制特点如下。
LLC谐振变换器电路拓扑与工作原理分析_02.jpg
三、工作原理分析
本篇以常用的PFM调制模式为例,对全桥LLC变换电路进行工作模态分析。LLC串联谐振电路包含两个谐振频率,一个是由谐振电感Lr、谐振电容Cr与励磁电感Lm谐振产生的第一谐振频率fm,另一个是由谐振电感Lr与谐振电容Cr产生的第二谐振频率fr,两者表达式如下:
两个谐振频率将变换器的工作区间分为三段:fs<fm,fm<fs<fr以及fs>fr。当fs<fm时电路无法实现ZVS,开关损耗较大,变换器一般不会工作在此区域。
常用变换器的工作模式分为:欠谐振模式(fm<fs<fr)、准谐振模式(fs=fr)以及过谐振模式(fs>fr)。
下面以欠谐振模式为例进行电路工作模态分析。
LLC谐振变换器电路拓扑与工作原理分析_03.jpg
■工作模态1(t0~t1)
在t0时刻,S1、S4开始导通,此时开关器件两端的二极管处于续流导通状态,因此S1、S4为零电压导通。
LLC谐振变换器电路拓扑与工作原理分析_04.jpg
该模态下Lr、Cr发生谐振,谐振腔为感性,谐振电流Ir相位滞后于电压,电流为负并迅速减小。副边二极管D1导通,Lm两端电压被钳位,励磁电流线性减小。负载端能量由励磁电感Lm提供。
■工作模态2(t1~t2):
S1、S4继续保持导通状态,谐振电流Ir变为正方向,S1、S4内部开始流过电流。
LLC谐振变换器电路拓扑与工作原理分析_05.jpg
此模态下,二极管D1保持导通,Lm两端电压仍被钳位,励磁电流缓慢上升并保持负方向, 负载端能量由母线及励磁电感共同提供,该模态下电路中由Lr、Cr发生谐振。
■工作模态3(t2~t3):
励磁电感继续保持被副端钳位的状态,谐振腔由Lr、Cr组成。
LLC谐振变换器电路拓扑与工作原理分析_06.jpg
励磁电流ILm变为正方向,与谐振电流Ir同方向,此时母线同时向励磁电感与负载提供能量。由于谐振作用,在该模态结束时,谐振电流迅速减小至与励磁电流相等。
■工作模态4(t3~t4):
此模态内谐振电流Ir和励磁电流ILm保持相等。
LLC谐振变换器电路拓扑与工作原理分析_07.jpg
变压器原端电流下降为0,不再向负端进行能量传递,副边二极管D1电流降为零关断,输出电压由输出电容提供。副端电压对励磁电感的钳位作用消失,谐振腔由Lr、Cr和Lm组成。由于Lm>>Lr,可以近似为此时的谐振电流不变。
■工作模态5(t4~t5):
t4~t5为死区时间,四个开关器件全部关断。
在谐振电流的作用下,电源给S1、S4的寄生电容充电,给S2、S3的寄生电容放电,结束后S1、S4并联二极管续流,为其后续零电压开通提供条件。
LLC谐振变换器电路拓扑与工作原理分析_08.jpg
此时整流二极管D2开始导通,励磁电感被副端电压钳位,退出谐振腔。此时负载能量由励磁电感提供。
t5时刻后,S2、S3零点压开通,后半周期工作过程与前半周期类似,这里就不做详细讲解。
LLC谐振变换器电路拓扑与工作原理分析_09.jpg
准谐振模式与过谐振模式的关键波形如图,感兴趣的朋友可以根据关键波形进行模态分析。

LLC常见问答

为什么中小功率电源LLC网络要在感性区域工作?
LLC网络存在感性、容性和纯阻性三种状态。
①工作在纯阻性区域时,网络具有最高的品质因素和最佳的网络特性;
②工作在容性区域,网络实现零电流切换(ZCS)关断,适合使用IGBT;
③工作在感性区域,网络容易实现零电压切换(ZVS)开通,比较适合使用MOSFET。由于中小功率电源普遍使用MOSFET,因此常规的LLC拓扑开关电源选择在感性区域工作。

ZVS1和ZVS2各有什么优缺点,如何选择?
LLC网络的增益曲线下图所示。
LLC谐振变换器电路拓扑与工作原理分析_10.jpg
ZVS1区不能实现次级整流管的零电流切换(ZCS)关断,存在反向恢复问题;而在ZVS2区可以实现次级整流管的ZCS关断,不存在反向恢复问题。
从理论上讲,工作在ZVS2区域的效率高于ZVS1区域,同时也要考虑短路性能等问题,建议选择略大于谐振点的工作点。

LLC初级MOSFET是ZVS关断还是ZCS关断?
LLC工作在感性区域时MOSFET可以实现ZVS开通,但器件关断既不是ZVS也不是ZCS,是一个硬关断过程,关断损耗不可避免。
对于MOSFET而言,开通损耗相对关断损耗大很多。因此LLC变换器是通过减少开通损耗以达到电路效率的提升。

满足ZVS的两个必要条件是什么?
首先,LLC电路在其整个负载范围内都必须处于感性区域,这是最基本的条件。
其次,还有一个常常被忽视的条件。为了实现开关管的ZVS,励磁电感的峰值电流须在死区时间内完成导通开关管的结电容放电,以及关断开关管结电容充电。
因此,励磁电感峰值电流(Ipk)与死区时间(tdead)应满足:

333 - 副本.jpg


其中,Vin为输入电压,Cj为MOSFET的结电容,tdead为死区时间。而Ipk与励磁电感关系如下:
111.jpg
其中,Vo为输出电压,T为开关周期,Lm为励磁电感。因此Lm的值应满足以下不等式:

1111.jpg

从上式得出的最大励磁电感Lm可以确保开关管实现ZVS,但较小的Lm将增加MOSFET的开关损耗。通过使用被动负载Lm,可以确保在任何负载情况下都能工作在零电压开关状态下。

到这里,我们对LLC谐振变换器的电路结构、控制方式以及常见的全桥LLC变换器的工作原理及常见问题就都分享完成啦。可能还有很多常见问题,我们没有列出来,也欢迎大家给留言沟通,小编随时待命!您的留言很有可能就出现在我们下一期的内容中了哦。

后续我们会继续为大家分享LLC谐振变换器拓扑如何进行建模仿真,并分析其控制策略,敬请期待。

感谢您的关注,我们下期再见。


王yuanyuan
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LV6
高级工程师
  • 2024-6-5 13:46:41
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哈喽,老师,你那两个公式,一个都没看到哎,,,能不能截个图把那两个公式放上来啊
frank_hu
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LV8
副总工程师
最新回复
  • 2024-6-5 14:03:58
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感謝樓主的分享,寫的很好
多學習到 欠諧振模式、準諧振模式、過諧振模式
三種的不同分析概念
對於目前現在debug LLC 的板子,有應用上的機會。
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