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LLC谐振变换 评分

多种类型的LED TV主功率级拓扑相继推出,比如非对称半桥转换器、双开关正激转换器和LLC谐振转换器。其中,LLC谐振转换器虽然相比其他转换器具有更多优势,但因为其设计复杂困难,所以在过去很少受到关注。不过,这几年间,IC制造商已开发出用于LLC谐振转换器的控制器,而且发表了许多相关技术说明和设计工具,让其设计变得更容易,并使得这种技术获得更多的关注。现在,LLC谐振转换器已经成为LED TV最流行的主功率级拓扑。
HEEEPOTER Vine300V Full Load 1050 Va 10u 12u Circulating energy Vinedoov Full load 050 -10 211 4u 611 12u Figure 4.3 Simulation waveforms of src 副边输出 从 的仿真波形上,输入电压为时在谐振腔中流动的能量会比 时小很多。对于每个开关周期,这些谐振能量在谐振嗲流动,最终同送到输入 中去。这些回送回去的能量越多,半导体器件承受的应力就会越大,那么在环 路中损失的能量也就越多。而且,从这仿與波形申,我们还可以看出,在 输入时, 的关断电流也小很多。数输入电压增加到 时,关断电流超 过他几乎接近变换的最大流。因此,关断损耗会很大。 从上面的分析中,可以看出,串联谐振()对于前端 变换来讲,并 不是一个很好的选择。主要不利因素有:轻载调整率,高的谐振能量,以及高输 入电压吋的较大关断电流。 并联谐振变换 并联谐振变换的原翔图如图 它的直流特性如图 付于并联 谐振变换,其谐振腔仍然是串连的。叫并联谐振变换的原因是由于负载与谐振电 谷为并联联结。更離确地称呼这种变换是负载并联的牛联谐振变换。由丁变压器 原边是个电容;因而,在变压器副边加一个电感进行阻抗匹配。 PRC D1 Lf CE rIs D2 Figure 44 Half bridge parallel resonant converter HEEEPOTER 例:设计的用于前端 变换的并联谐振变换 变压器匝比:: 谐振电感: 谐振电容: 对于以上:的参数,那么其值变化范围为(满载)∞x(空载)。电路的 工作区域为图中阴影部分,仿真波形如图 从工作区和方真波形,我们可 以看出: DC Characteristic of prc 12 Q=10 10 8 6 4 o=3 Vin=300v Q=2 Vin=4o0v 0.5 0.7 09 1.1 1.3 1.5 fs/fr Figure 4.5 dC characteristic and operating region of PRC HEEEPOTER Vin=300V Full Load Va -10 12u Circulating energy Vin=4ooV Full Load P 4 Figure 4.6 Simulation waveforms of PRC ,与牛联谐振相似,工作区同样设置在诣振点的右边以获得零电压开关。 与串联谐振相比,工作区非常小。(这点使得并联诸振)在轻载时, 并不需要开关频率变化很大来获得输电压的稳定。因而,对于并联谐 振来讲并不存在轻载调整率的问题 与串联谐振相同,在输入工作区颦近谐振频率点。与串联谐振相比, 从仿真波形上可以看出,并朕谮振腔循环能量大很多。我们还可以从流 过 的看到,在≈输时,串联谐振的关断电流比并联谐振的 关断电流小很多。当输入电压增知到时,关断电流超将会过 他甚至比变换的还高 对于并联谐振,很的个间题就是即使在轻载时谐振腔中循环流动的 能量也志。其原就是,对于输入端米讲,由于负载与谐振电容并 联,即使在没有氨我条件下,也会存在一个非常小的串联谐振阻抗。因 此,即使负载为零时,也会有一个非常高的谐振能量在循环流动。 SPRC Lr csr D1 Cf ns Q2 ns D2 Figure 4.7 Half bridge series parallel resonant converter HEEEPUTER 从上面的分析我们也可以发现,并联谐振对于前端 变换来讲,也 不是也个很好的选择。其中主要问题是:高的循环谐振能量;高输入电 压条件时存在高的关断电流。 串并联谐振变换 串并联谐振变换的原理图如图 串并联变换的直流特性如图 它的谐振腔由三个元器件组成 和串并联谐振腔可以 看作是串联谐振和并联诣振的组合。与并联谐振相似,需要在副边加 个电感来进行阻抗匹配。对亍牛并联谐振来讲,他集合了牛联谐振和并 联谐振的优点。与并联谐振相比,负载与由 组成的串联谐振腔相 串联,因此,循环能量会小很多。由于并联电容串并联谐振能够在 轻载时稳定输出电压。 DC Characteristic of SPRC Vin=300V Vin=400v 0.5 0.2 Q=0.1 06 0 10 12 1.4 1.6 fs/fr Figure 4.8 DC characteristic and operating region of spRC 例:串并联谐振的前端变换应用参数如下: 变压器匝比: 谐振电感 串联谐振电容 并联谐振电容 值变化范围:(满载)到无穷(空载) 串并联谐振变换的直流特性及工作区如图 仿真波形如图 从工作区图,我们可以得出以下结论 ,与串联谐振和并联谐振相似,工作点都选择在谐振点的右边以获得零电 压开关条件 HEEEPOTER Vin=300V Full Load Va r 1 5050505 2u 4u1 Circulating energy Vin=4oov Full load 5a55 1 2u Au au Bu Figure 4.9 Simulation waveforms of spRC 对丁串并联谐振,从工作区图,可以看到串并联谐振在负载变化时,频率的 变化幅度比串联谐振小。 从输入电流来讲,串并联谐振的输入电流比联谐振小很多,仅比串联谐振 大一点。这就意味着,串并联谐振的谐振循环能暈比并联谐振的小 与串联谐振和诈联谐振相同,在输入时,变换工作在谐振点附近。而 对于高的输入电压,系统将会工作更高的频率处 与串联谐振和并联谐振相同,諧振循环能量以及 的关断电流也会随 着输入电压的提高而增加。态例的关断电流大概在左右。 对丁以上的分析,我们以看函并联谐振集合了出联谐振和并联谐振的 优点。小的谐振循环能量及对载变换的不敏感性。不过,串并联谐振仍然不 适合于那些输入鬼压变化比仪太的场合。如果应用于宽的输入电压条件下,那么 在高压端,导通损耗和并关损耗都会增加。在高端时其开关损耗与变换(硬 开馆)基本相同。 通过对卅联谐振,并联谐振以及串并联谐振这三种电路的分析,设计及仿真 可以看出这一种变换在高的输入电压时都不是很优。由于输入电压的宽范围变化 将致膏的导通损耗和丌关损耗。为了获得好的开关频率和高效率,我们必须寻 找其他的指扑形式。 塔振变换 从上面对三种传统的谐振拓扑结构的分析,我们可以看出它们对于宽范围的 输入电压来讲都存在很大的缺陷。在高的输入电压端存在高的谐振循环能量以及 高的开关损耗,这些特点都不利于他们在前端 变换屮的应用。 尽管上面给出了他们的负面结果,但是我们仍然能够从中学到一些东西。 对于串联谐振和并联谐振来讲,谐振腔工作在它的谐振点时效率最高。而对 于串并联谐振,存在两个谐振频率。通常米讲,工作在高的那个谐振频率点会得 到更好的效率。 为了获得零电压开关,电源变换必须工作在直流特性的下降段 HEEEPUTER 从上面的分析可以看出,谐振同样不能对宽范围输入电压的高压端进 行优化。原因与串联谐振和并联谐振一样,串并联谐振在(宽范围)高输入电压 时,其工作频率会远离谐振频率。从谐振的直流特性曲线上可以看出,它 具有两个谐振点。其中,低频谐振点为的串联谐振点。高频谐振点为 与和的串联等效电容的谱振点。对于谐振变换来讲,通常在谐振点处谐 振变换的效率最高。对于谐振变换,尽管它存在两个谐振频率,不幸的事, 低频谐振点处在零电流工作区。对于这种应用来讲,我们不能让谐振变换工作在 此低频谐振点。当然,尽管谐振的低频部分没有用,但是他给我们一个如 何让一个变换工作在谐振频率的思想,即通过改变谐振腔的双谐振网 络米实现。 通过把谐振电路中的换成换成就会得到如图 电路。 谐振和谐振的直流特性如图 和 LCC Resonant Tank LLC Resonant Tank Figure 410lcc and llc resonant tank 从图上可看出,谐振的直流特性图有点像直流特性图的翻转。它们仍 然有两个谐振点,谐振是高频谐振点。低频谐振点是与和电感 串联的谐振点。这样的话,高频谐振点在工作区,这就意味着这种变换可 以工作在这个频率点附近 DC Characteristic of SPRC 0.5 02 C-0.1 06日 1.0 12 14 15 FsAr Figure 411 DC characteristic of lcc resonant converter HEEEPOTER DC Characteristic of LLC 25 20 1,5 1.0 0.5 0.0 05 1. 1.5 2.0 Figure 412 dc characteristic oflic resonant converter Q1 Vin Vo ns Q2 ns D2 Figure 4.13 half bridge llc resonant converter 事实|,当变换已经存在了很长一段时间。但是由于缺乏对这种变 換特性的理解,它一般为串联谐振用在被动负载中。也就是说它设计的开关频 率远高丁 联谐振的频率。当工作在这个区域时,谐振与串联谐振非 常相似⌒谐振变换的开关频率在轻载时变化很小,而且,即使在空载它也 具备零电尽灯关能力。 朱文将会对谐振变换过去没有公开讨论过的一些工作区进行研究。在 这些工作区内工作,谐振变换将会具有一世特殊的性能。而且这些性能使 得它非常适合应用丁前端 变换的应用中 谐振的直流分析,对于谐振变换的设计非常有必要。在附录中 对它的直流特性有详细的分析。讨论了两种方淞:基本原理简化分析方法和仿真 分析方法。同时也给出了他们的误差。 谐振变化的工作原理 如图 谐振变换的直流特性分为零电压工作区和零电流工作区。 这种变换有两个谐振频率。一个是和的谐振点,另外一个谐振点由 以及负载条件决定。负载加重,谐振频率将会升高。这两个谐振点的计算公式如 HEEEPOTER f升2 2··√(Lm+L)Cr 考虑到这些特性,对于输入电压为的工作,工作频率可以放在谐振频 率处。其中,为串联谐振腔的谐振频率。当输入电压下降时,可以 通过降低工作频率获得较大的增益。通过选择合适的谐振参数,可以让。谐 振变换无论是负载变化或是输入电压变化都能工作在零电压工作区。 的直流特性有些非常有意思的特点。在的右端,。谐振变换 的特点与串联诸振相同。在的左边,根据负载情况,他们类似于并联谐振或 串联谐振。重载时接近于串联谐振,而随着负载的减轻越来越接近手并联谐振。 是因为有趣的特点,我们可以让系统工作在串联谐振频率点以获得高的效率 这样由于在低于串联谐振频率点工作时,工作特性类似并联谐振,因而,我们 能够让其始终工作在零电压开关工作模式。 根据上面的讨论,谐振变换的直流特性可根握不同的T作模式分为三 个工作区如图 。工作区,工作区为我们设计的工作区。工作区, 为零电流工作区。工作区和工作区的真波彩如图 和 实际 上随着负载的变换,谐振变换还有很多其它的工作模式。那些不同的工作 模式在附录中有列出。 DC Characteristic of LLC Resonant Converter ZS region 25 Q43 14 =6 i10 1: 08 : ZcS region 0.4 02 854 12 Switching FreqHz Figure 414 Dc characteristic of llc resonant converter 对于工作区,谐振变换类似于串联谐振。这利工作模式下,变压器 劢磁电感由于被输出电压所钳位,因此,它会作为串联谐振腔的负载形式 存在,而不参与整个谐振过程。由于这个被动负载, 堦振变换轻载稳压可 以不再需要很高频率。而且,由于这个被动负载,可以保证在仃何负载情况

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