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抚州矿用变压器LLC谐振电路简介

发布者:抚州变压器厂    发布时间:2019-12-12
抚州矿用变压器LLC谐振电路简介

一、LLC的英文全称是Logical Link Control的缩写,意为:逻辑链路控制。

LLC半桥谐振电路的动作和半桥电路无异,但是由于谐振腔的加入,LLC半桥谐振电路中的上下MOSFET

工作情况大不一样,它能实现MOSFET的零电压开通。其工作波形如图2所示:






图中,Vgs1和Vgs2分别是Q1、Q2的驱动波形,Ir为谐振电感Lr电感电流波形,Im为变压器漏感Lm电流波形,Id1和Id2分别是次级侧输出整流二级管波形,Ids1则为Q1导通电流。
波形图根据不同工作状态被分成6个阶段,下面具体分析各个状态,LLC谐振电路工作情况:
1) T0~T1:Q1关断、Q2开通;这个时候谐振电感上的电流为负,方向流向Q2。 在此阶段,变压器漏感不参加谐振,Cr、Lr组成了谐振频率,输出能量来自于Cr和Lr。这个阶段随着Q2关断而结束。下图1-3为LLC半桥谐振电路在T0~T1工作阶段各个元器件工作状态。
2) T1~T2:Q1关断、Q2关断;此时为半桥电路死区时间,谐振电感上的电流仍 为负,谐振电流对Q1的输出电容(Coss)进行放电,并且对Q2的输出电容(Coss)进行充电,直到Q2的输出电容的电压等于输入电压(Vin),为Q1下次导统创造零电压开通的条件。由于Q1体二级管此是出于正向偏置,而Q2的体二级管示反相偏置,两个电感上的电流相等。输出电压比变压器二次侧电压高,D1、D2处于反偏状态,所以输出端与变压器脱离。此阶段,Lm和Lr、Cr一同参加谐振。随着Q1开通,T1~T2阶段结束。下图1-4为LLC半桥谐振电路在T1~T2工作阶段各个元器件工作状态。
3) T2~T3:Q1开通、Q2关断(一旦Q1的输出电容被放电放到零时)。此时谐振 电感上的电流仍旧为负,电流经Q1的体二级管流回输入端(Vin)。同时,输出整流二级管(D1)导通,为输出端提供能量。变压器漏感(Lm)在此阶段被持续充电。只有Lr和Cr参与谐振。一旦谐振电感Lr上的电流为零时,T2~T3阶段结束。下图1-5为LLC半桥谐振电路在T2~T3工作阶段各个元器件工作状态。
4) T3~T4:此阶段始于谐振电感Lr电流变负为正,Q1开通、Q2关断,和T2~T3 阶段一样。谐振电感电流开始从输入端经Q1流向地。变压器漏感Lm此时被此电流充电,因此参加谐振的器件只有Lr和Cr。输出端仍由D1来传输能量。随着Q1关断,T3~T4阶段结束。下图1-6为LLC半桥谐振电路在T3~T4工作阶段各个元器件工作状态。
5) T4~T5:Q1关断,Q2关断;此时为半桥电路死区时间。此时,谐振电感电流对Q1的输出电容Coss进行充电,并对Q2的输出电容Coss进行放电直到Q2上输出电容电压为零,导通Q2的体二级管,为Q2零电压开通创造条件。在此期间,变压器二次侧跟T1~T2阶段一样,脱离初级侧。在死去时间,变压器漏感Lm参与谐振。此阶段随着Q2开通而结束。下图1-7为LLC半桥谐振电路在T4~T5工作阶段各个元器件工作状态。
6) T5~T6:Q1关断,Q2导通。由于T4~T5阶段中Q2的输出电容已经被放电至零, 因此T5~T6阶段Q2以零电压开通。能量由谐振电感Lr经Q2续流,输出端由D2提供能量。此时,Lm不参与Lr和Cr的谐振。此阶段随着谐振电感Lr电流变为零而结束,重复T0~T1状态。下图1-8为LLC半桥谐振电路在T5~T6工作阶段各个元器件工作状态。


二、LLC谐振转换器中的输出电压调节

对于采用零电压的谐振转换器,在设计谐振电路时必须确保电流波形始终滞后于电压波形。这种情况在负载为电感型时发生,并且频率高于谐振频率。在增益特性方面,电压增益随频率下降。控制电路可通过改变输入方波的频率来调节输出电压,这会改变系统增益,从而产生调节过的输出电压。

理想的情况是,增益特性与负载条件无关,而且增益和频率范围都应该很易于调节。可惜的是,这些特性都极难实现。以标准谐振转换器为例,串联谐振转换器的负载范围很窄,因为增益特性随负载变化很大;而并联谐振转换器的输入电压范围很窄,轻载下效率也很低。LLC转换器则可以避免这些问题。

标准谐振转换器中有两个组件决定谐振频率:电感 (L) 和电容 (C)。LLC转换器是串联谐振转换器,有一个额外的电感 (L) 与其它两个组件串联,故名为L-L-C转换器。图1所示的谐振电路即是一个LLC转换器电路。在该电路中,Cr 为谐振电容。两个电感值分别为集成式变压器的励磁电感(Lm) 和总漏电感 (Llkp 加 Llks)。在某些情况下,第二个电感值可以由一个外部独立电感来实现,这种通常用于更高的功率级。

相比其他谐振转换器,LLC 转换器在变化负载条件下具有良好的调节性能。它要求线路输入电压控制良好,故一般需要PFC 前端高性能工作。业界对它的了解远不及双管正激拓扑。它的频率范围比双管正激拓扑宽,但比其它谐振转换器要窄得多。

图2显示了一个LLC转换器的增益特性。在增益与频率的关系图中,给出了不同负载条件下的增益曲线。LLC 转换器有两个谐振频率。如箭头所指,较低的谐振频率在60kHz左右;较高的则为100kHz。所有曲线,不论负载如何,都相交于第二个谐振频率处。

对于这种设计,谐振频率下的增益为1.2。因此如果输出电压设定为12V、匝数比为40:1,那么这将出现在400V输入电压下。不论负载如何,忽略损耗情况,频率将保持不变。

为了便于说明,我们假设输入电压上升到480V,这时控制电路必需把增益降低到1.0,才能保持12V的输出电压。在这种情况下,频率将在满载下的115kHz和 20% 负载条件下的130kHz之间变化,从图中可看出,正是对应的负载条件下的增益曲线与增益=1.0这条线相交处的频率。

这显示出当偏离设计的输入工作电压时, 频率便会发生一些变化,轻负载下损耗就会增加。总而言之,LLC转换器在恒定输入电压下工作性能,比如由 PFC 级提供电压。通过设计,它们可适用于某个地区的电压输入范围,比如195VAC – 265VAC。



图2:LLC谐振转换器增益曲线示例

对于更高的功率级,它通常都带有功率因数校正 (PFC) 前端级。LLC转换器的设计使得几乎在所有工作条件下PFC级都产生恒定输出电压,在此电压下,频率不随负载改变而变化。对于缺失输入半波的情况下,就需要一些额外的增益,这就是所谓的“保持” (hold-up) 时间要求。



三、谐振转换器的工作区域

llc谐振转换器的工作区域可标注为‘+’的峰值增益和标注为‘×’的谐振频率而分为3部分。首先,以峰值点为界,左边是zcs(零电流)区(或称为电容区),右边是zvs(零电压)区(或称为电感区)。在zvs区,谐振频率ωr的左边是下区(below region),右边是上区域(above region)。当llc谐振转换器工作在zcs区时,在瞬间有大量反向恢复电流流经mosfet,故llc谐振转换器应该工作在zvs区,要充分利用小工作频率的限制不让带mosfet 的llc谐振转换器进入zcs区。  如上所述,根据工作频率是大于ωr还是小于ω,llc谐振转换器可以工作在上区域或下区域。这还取决于两种工作模式彼此间的不同特性。当llc谐振转换器被设计为上区域工作时,流到mosfet的环流小于下谐振工作的,mosfet的传导损耗因此减小,从而提高效率。不过,这时次级端上的二极管为硬,故必须采用肖特基或uf(超快速恢复)二极管来防止严重的反向恢复电流。鉴于此,象便携式设备lcd的抚州矿用变压器这样的低压应用有时会考虑采用上谐振工作。另一方面,在下谐振工作的情况下,流到mosfet的环流比上谐振工作的要大。不过下谐振工作允许次级端上的二极管进行软导通/关断,这样就可以采用普通的快速恢复二极管。下谐振工作是led或pdp tv等高压应用的首选。这些应用中,输出电压稍高,因而不能使用低额定电压的肖特基二极管。  因此,必须根据应用的规格和特性来选择llc谐振转换器的工作区域。





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