与传统PWM(脉宽调节)变换器不同,LLC是一种通过控制开关频率(频率调节)来实现输出电压恒定的谐振电路。它的优点是:实现原边两个主MOS开关的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS),通过软开关技术,可以降低电源的开关损耗,提高功率变换器的效率和功率密度。
学习并理解LLC,我们必须首先弄清楚以下两个基本问题:
1.什么是软开关;
2.LLC电路是如何实现软开关的。
由于普通的拓扑电路的开关管是硬开关的,在导通和关断时MOS管的Vds电压和电流会产生交叠,电压与电流交叠的区域即MOS管的导通损耗和关断损耗。如图所示:
为了降低开关管的开关损耗,提高电源的效率,有零电压开关(ZVS) 和零电流开关(ZCS)两种软开关办法。
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零电压开关 (ZVS)
开关管的电压在导通前降到零,在关断时保持为零。
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零电流开关(ZCS)
使开关管的电流在导通时保持在零,在关断前使电流降到零。
由于开关损耗与流过开关管的电流和开关管上的电压的成绩(V*I)有关,当采用零电压ZVS导通时,开关管上的电压几乎为零,所以导通损耗非常低。
Vin为直流母线电压,S1,S2为主开关MOS管(其中Sc1和Sc2分别为MOS管S1和S2的结电容,并联在Vds上的二极管分别为MOS管S1和S2的体二极管),一起受控产生方波电压;
谐振电容Cr 、谐振电杆Lr 、 励磁电杆Lm一起构成谐振网络;
np,ns为理想变压器原副边线圈;
二极管D1, 二极管D2,输出电容Co一起构成输出整流滤波网络。
那么LLC电路是怎么实现软开关的呢?
要实现零电压开关,开关管的电流必须滞后于电压,使谐振槽路工作在感性状态。
LLC 开关管在导通前,电流先从开关MOS管的体二极管(S到D)内流过,开关MOS管D-S之间电压被箝位在接近0V(二极管压降),此时让开关MOS管导通,可以实现零电压导通;在关断前,由于D-S 间的电容电压为0V而且不能突变,因此也近似于零电压关断(实际也为硬关断)。
那什么是谐振呢?
我们不妨先看看电感和电容的基本特性:
与电阻不同,电感和电容都不是纯阻性线性器件,电感的感抗XL和电容的容抗Xc都与频率有关,当加在电感和电容上的频率发生变化时,它们的感抗XL和容抗Xc会发生变化。
1、如下图RL电路,当输入源Vin的频率增加时,电感的感抗增大,输出电压减小,增益Gain=Vo/Vin随频率增加而减小。
2、如下图RC电路,相反,当输入源Vin的频率增加时,电容的容抗减小,输出电压增大,增益Gain=Vo/Vin随频率增加而增加。
下面我们分析一下LC谐振电路的特性:
如图,当我们将L和C都引入电路中发现,当输入电压源的频率从0开始向某一频率增加时,LC电路呈容性(容抗>感抗),增益Gain=Vo/Vin随频率增加而增加,当从这一频率再向右边增加时,LC电路呈感性(感抗>容抗),增益Gain=Vo/Vin随频率增加而降低。这一频率即为谐振频率(此时感抗=容抗,XL=Xc=ωL=1/ωC),谐振时电路呈纯电阻性,增益最大。
谐振条件:感抗=容抗,XL=Xc=ωL=1/ωC
谐振频率:fo
那么谐振有什么作用呢?
控制让谐振电路发生谐振,有三个参数可以调节。由于L和C的大小不方便调节,通过调节输入电压源的频率,可以使L、C的相位相同,整个电路呈现为纯电阻性,谐振时,电路的总阻抗达到或近似达到极值。利用谐振的特征控制电路工作在合适的工作点上,同时又要避免工作在不合适的点上而产生危害。
LLC稳定输出电压原理: