LLC谐振拓扑降低开关损耗,提高效率

在当前的全球能源危机中,重点是提高效率,电子产品面临着高性能、低耗电的严峻挑战。由于这场危机,世界各地的各种政府机构已经或正在考虑提高其各自规格的众多产品的效率标准。用传统的硬开关转换器很难达到这些效率规格。电源设计者需要考虑软开关拓扑,以提高效率,并允许更高频率的操作。

其中之一就是LLC谐振变换器。LLC谐振拓扑允许零电压开关的主要开关,从而大大降低开关损失和提高效率。LLC谐振变换器可实现93~96%的效率。本文将描述LLC谐振拓扑的操作,并说明如何实现这种高效率。

共振转换器已经存在了很长时间。然而,直到现在,随着控制器变得更加可用,他们才看到越来越多的接受度,而且绝对需要提高效率。理解LLC谐振变换器的最好方法也许是首先研究传统的串联谐振变换器,如图1所示。

图1:系列谐振变换器(1)

在图1中,串联谐振变换器显示为半桥配置。在离线应用程序中,VIN通常是大约400V的上游功率因数校正电路的输出。共振网络由Rr和CR组成。变压器的主电感被认为是大到不影响谐振网络。它被称为系列谐振转换器,因为负载电阻以及整流器和滤波器电路的冲击,可以通过变压器的转动比被反射回原电路。这一行动有效地使负载与共振网络相串联。谐振网络和反射负载电阻形成一个分压器。在一般的串联共振电路中,谐振网络的阻抗在谐振频率的最小值。如图2所示。

图2:系列RLC阻抗特性

由于变换器是通过频率调制控制的,所以当负载变化时,通过改变开关频率来改变谐振网络的阻抗。因此,可以通过改变谐振槽电路的阻抗来调节输出电压。例如,如果负载电流增加输出电压将有下降的趋势.反馈电路将感知到这种降低,并将转换器的开关频率向共振方向移动,从而在负载上降低更多的电压,从而增加输出电压。

相反地,如果负载电流减少,反馈电路将使频率远离共振,从而使更多的电压通过水箱电路下降。转换器作为分压器工作的事实意味着在转换器的动力系统中所能达到的最大增益是一个。串联谐振变换器的优点是,它可以在图1中的主要开关Q1和Q2上实现零电压。这提高了转换器的效率,特别是在使用更高的开关频率时。

此外,当在共振频率附近操作时,电源将以正弦方式通过动力系统(9)进行处理。串联谐振变换器的增益特性如图3所示。请注意,系列谐振变换器以及LLC将在共振上方操作。在共振以上的主电流延迟所施加的电压,使Q1和Q2被零电压交换。

图3:串联谐振变换器(2)的直流增益特性

图3说明了系列谐振变换器的缺点之一。当负载减小时,Q降低,结果是频率需要显著增加以保持输出调节。大频率变化维护输出调节成为串联谐振变换器的一个严重缺陷。实际上,在无负载条件的极限下,要保持输出电压的调节需要无限频率。

尽管串联谐振变换器通过零电压开关提供了提高效率的优势,但为了维持调节而发生的大频率变化和在无负载情况下无法调节,突出了需要更好的东西。LLC谐振变换器克服了串联谐振变换器的缺点。

图4:LLC谐振变换器(3)

如图4所示,LLC谐振变换器在图解上与系列谐振变换器非常相似。主要的区别是在串联谐振变换器中,变压器的初级电感大到不影响谐振网络的特性。然而,在LLC变换器中,变压器的主电感降低,从而影响到谐振网络。事实上,LLC谐振变换器有两个共振频率,如图5所示。

图5:LLC谐振变换器(4)的增益特性

马上,LLC变换器的优势变得明显。如图5所示,当转换器在上共振频率上运行时,通常情况下,所有的负载(q)曲线都收敛。这意味着对于一个非常大的负载范围,很少有频率变化。实际上,LLC变换器即使在无负载情况下也能保持输出电压的调节。此外,请注意LLC变换器的动力系统的增益大于一个。换句话说,LLC谐振变换器克服了系列谐振变换器的缺点。

如上所述，LLC谐振转换器的低值一次电感会影响谐振网络。该谐振电感器可由变压器的漏电电感组成。在许多情况下，这消除了另一个磁性组件，从而节省了成本和印刷电路板的空间。图4所示的LLC的示意图可以简化为如图6所示。图6：LLC转换器动力传动系的简化图(5)

尽管在谐振网络上施加了方波电压,但谐振网络的滤波作用迫使电流通过网络成为正弦。这意味着能量是正弦处理的。这使得数学分析可以大大简化,因为只需要考虑基本频率。在图6中,在分析电路时考虑到主侧和次侧的泄漏电感。如果假设主侧漏电感等于反射二次漏电感,则电路可以进一步简化,如图7(10)所示。

图7:LLKP=N2LKK的等效LLC电路(6)

如图5所示,共振频率的增益简化为:

由于在LLC谐振变换器中Lp仍然大于Lp,通常3-8倍,动力系统将在共振频率下获得增益。

共振频率可以用数学方式表示:

和:

LM表示磁感,LP是包括主侧漏电感在内的主电感。在一个实用的变压器中,测量主电感时,用二次开锁,就会给出Lp值。当二次短路时,测量主电感会产生r值.在一个典型的LLC转换器中,r值将计算为相对较大。为了消除一个额外的磁组件,泄漏电感将需要被纳入主变压器,以实现所需的Lr值。建立适当量的泄漏电感的方法之一是将主绕组和二次绕组并排地绕在线轴上,如图8所示。当然,滚子必须有适当的间距以符合相关的安全规格.

图8:侧绕LLC变压器(7)

如前所述,包括LLC在内的谐振转换器的一个关键优势是FET和正弦功率处理的软开关。图9说明了LLC变换器的典型波形特征.

图9:LLC变换器(8)的典型波形

请注意图9中的FET排放流(IDS2)在变为正之前是负的。负极电流是体二极管导电的指示.当FET的体二极管导电时,在FET的排水源上几乎没有电压(二极管降)。该FET在二极管体端导电过程中被激活,导致零电压开关,大大降低了开关损耗。90年代中期的转换效率是可以实现的。也注意正弦原电流。正弦波形将导致减少的EMI信号。

随着电子产品的效率变得越来越重要,需要考虑替代电源拓扑。随着零电压开关效率的大大提高和正弦电流波形的EMI的降低,LLC谐振变换器可以成为许多应用的优良拓扑选择。