llc諧振轉(zhuǎn)換器是led tv的主功率級拓撲之一，相比其它轉(zhuǎn)換器具有更多優(yōu)勢，但因為其設(shè)計復(fù)雜困難，所以在過去很少受到關(guān)注。不過，這幾年間，ic制造商已開發(fā)出用于 llc 諧振轉(zhuǎn)換器的控制器，而且發(fā)表了許多相關(guān)技術(shù)說明和設(shè)計工具，讓其設(shè)計變得更容易，并使得這種技術(shù)獲得更多的關(guān)注。llc諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為 led tv最流行的主功率級拓撲。llc諧振轉(zhuǎn)換器的出色優(yōu)點有： a) 在整個負載范圍(包括輕載)下都是以zvs (zero voltage switching, 零電壓開關(guān))條件工作，從而實現(xiàn)高效率; b) 工作頻率變化范圍比較窄，便于高頻變壓器和輸入濾波器的設(shè)計; c)初級端所用開關(guān)的電壓應(yīng)力被鉗位在輸入電壓上，而次級端兩個二極管上的電壓始終等于中心抽頭變壓器輸出電壓的兩倍。
在眾多諧振轉(zhuǎn)換器中，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器有著高功率密度應(yīng)用中最常用的拓撲結(jié)構(gòu)。之前我們介紹過采用NCP4390的半橋LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計注意事項，其中包括有關(guān)LLC 諧振轉(zhuǎn)換器工作原理的說明、變壓器和諧振網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，以及元件的選擇。今天我們將介紹設(shè)計程序的前9個步驟并配有設(shè)計示例來加以說明，幫助您完成LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。
LLC諧振變換器作為諧振開關(guān)技術(shù)的重要拓撲之一，具有高效率，調(diào)壓特性好，寬負載變化范圍內(nèi)工作特性優(yōu)良等特點，應(yīng)用場景廣闊。本篇文章對LLC變換器的常見拓撲結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式以及工作模態(tài)進行講解。
一、拓撲構(gòu)成
LLC諧振變換器電路拓撲主要包含開關(guān)電路、諧振電路以及整流電路三個部分。LLC諧振變換器的拓撲結(jié)構(gòu)多樣，下面是兩種常見的電路結(jié)構(gòu)。以全橋LLC變換器為例，開關(guān)電路為由開關(guān)器件S1~S4構(gòu)成的全橋逆變電路;諧振電路包含諧振電感Lr、諧振電容Cr以及勵磁電感Lm，并與變壓器原邊連接;變壓器副邊為由二極管D1、D2構(gòu)成的全波不控整流電路，與輸出電容Cf連接后接入負載。
二、調(diào)制方式
LLC諧振變換器常用的調(diào)制方式有脈沖頻率調(diào)制(PFM)、移相調(diào)制(PSM)以及脈沖寬度調(diào)制(PWM)。由于LLC變換器的諧振特性，脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式最為常用。此外為了提升變換器的工作性能，一些混合控制方式被陸續(xù)提出。各種常用調(diào)制方式的電壓增益范圍、控制參數(shù)以及調(diào)制特點如下。
三、工作原理分析
本篇以常用的PFM調(diào)制模式為例，對全橋LLC變換電路進行工作模態(tài)分析。LLC串聯(lián)諧振電路包含兩個諧振頻率，一個是由諧振電感Lr、諧振電容Cr與勵磁電感Lm諧振產(chǎn)生的第一諧振頻率fm，另一個是由諧振電感Lr與諧振電容Cr產(chǎn)生的第二諧振頻率fr，兩者表達式如下：
兩個諧振頻率將變換器的工作區(qū)間分為三段：fsfr。當fs
常用變換器的工作模式分為：欠諧振模式(fmfr)。
下面以欠諧振模式為例進行電路工作模態(tài)分析。
3.1 工作模態(tài)1(t0~t1)：
在t0時刻，S1、S4開始導(dǎo)通，此時開關(guān)器件兩端的二極管處于續(xù)流導(dǎo)通狀態(tài)，因此S1、S4為零電壓導(dǎo)通。
該模態(tài)下Lr、Cr發(fā)生諧振，諧振腔為感性，諧振電流Ir相位滯后于電壓，電流為負并迅速減小。副邊二極管D1導(dǎo)通，Lm兩端電壓被鉗位，勵磁電流線性減小。負載端能量由勵磁電感Lm提供。
3.2 工作模態(tài)2(t1~t2)：
S1、S4繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)，諧振電流Ir變?yōu)檎较?，S1、S4內(nèi)部開始流過電流。
此模態(tài)下，二極管D1保持導(dǎo)通，Lm兩端電壓仍被鉗位，勵磁電流緩慢上升并保持負方向， 負載端能量由母線及勵磁電感共同提供，該模態(tài)下電路中由Lr、Cr發(fā)生諧振。
3.3 工作模態(tài)3(t2~t3)：
勵磁電感繼續(xù)保持被副端鉗位的狀態(tài)，諧振腔由Lr、Cr組成。
勵磁電流ILm變?yōu)檎较?，與諧振電流Ir同方向，此時母線同時向勵磁電感與負載提供能量。由于諧振作用，在該模態(tài)結(jié)束時，諧振電流迅速減小至與勵磁電流相等。
3.4 工作模態(tài)4(t3~t4)：
此模態(tài)內(nèi)諧振電流Ir和勵磁電流ILm保持相等。
變壓器原端電流下降為0，不再向負端進行能量傳遞，副邊二極管D1電流降為零關(guān)斷，輸出電壓由輸出電容提供。副端電壓對勵磁電感的鉗位作用消失，諧振腔由Lr、Cr和Lm組成。由于Lm>>Lr，可以近似為此時的諧振電流不變。
3.5工作模態(tài)5(t4~t5)：
t4~t5為死區(qū)時間，四個開關(guān)器件全部關(guān)斷。
在諧振電流的作用下，電源給S1、S4的寄生電容充電，給S2、S3的寄生電容放電，結(jié)束后S1、S4并聯(lián)二極管續(xù)流，為其后續(xù)零電壓開通提供條件。
此時整二極管D2開始導(dǎo)通，勵磁電感被副端電壓鉗位，退出諧振腔。此時負載能量由勵磁電感提供。
t5時刻后，S2、S3零點壓開通，后半周期工作過程與前半周期類似，這里就不做詳細講解。
準諧振模式(fs=fr)
過諧振模式(fsfr)
四、常見問答
1)為什么中小功率電源LLC網(wǎng)絡(luò)要在感性區(qū)域工作?
LLC網(wǎng)絡(luò)存在感性、容性和純阻性三種狀態(tài)。工作在純阻性區(qū)域時網(wǎng)絡(luò)具有最高的品質(zhì)因素和最佳的網(wǎng)絡(luò)特性;工作在容性區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)零電流切換(ZCS)關(guān)斷，適合使用IGBT;工作在感性區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)容易實現(xiàn)零電壓切換(ZVS)開通，比較適合使用MOSFET。由于中小功率電源普遍使用MOSFET，因此常規(guī)的LLC拓撲開關(guān)電源選擇在感性區(qū)域工作。
2)ZVS1和ZVS2各有什么優(yōu)缺點，如何選擇?
LLC網(wǎng)絡(luò)的增益曲線下圖所示。ZVS1區(qū)不能實現(xiàn)次級整流管的零電流切換(ZCS)關(guān)斷，存在反向恢復(fù)問題;而在ZVS2區(qū)可以實現(xiàn)次級整流管的ZCS關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)問題。從理論上講，工作在ZVS2區(qū)域的效率高于ZVS1區(qū)域，同時也要考慮短路性能等問題，建議選擇略大于諧振點的工作點。
3)LLC初級MOSFET是ZVS關(guān)斷還是ZCS關(guān)斷?
LLC工作在感性區(qū)域時MOSFET可以實現(xiàn)ZVS開通，但器件關(guān)斷既不是ZVS也不是ZCS，是一個硬關(guān)斷過程，關(guān)斷損耗不可避免。對于MOSFET而言，開通損耗相對關(guān)斷損耗大很多。因此LLC變換器是通過減少開通損耗以達到電路效率的提升。
4)滿足ZVS的兩個必要條件是什么?
首先，LLC電路在其整個負載范圍內(nèi)都必須處于感性區(qū)域，這是最基本的條件。
其次，還有一個常常被忽視的條件。為了實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，勵磁電感的峰值電流須在死區(qū)時間內(nèi)完成導(dǎo)通開關(guān)管的結(jié)電容放電，以及關(guān)斷開關(guān)管結(jié)電容充電。
從上式得出的最大勵磁電感Lm可以確保開關(guān)管實現(xiàn)ZVS，但較小的Lm將增加MOSFET的開關(guān)損耗。通過使用被動負載Lm，可以確保在任何負載情況下都能工作在零電壓開關(guān)狀態(tài)下。
LLC諧振變換器由于工作效率高、工作電壓范圍寬，在汽車制造，光電、通信以及新能源發(fā)電等領(lǐng)域中均有應(yīng)用。本篇對LLC諧振變換器的電路結(jié)構(gòu)、控制方式以及常見的全橋LLC變換器的工作原理進行講解，接下來我們將對LLC諧振變換器拓撲進行建模仿真，并分析其控制策略。
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