LLC谐振变换器原理介绍(A208-汕头-新月).docx

LLC谐振变换器原理介绍讲师:A208-汕头-新月(3974992)A208-汕头-新月(3974992) 13:57:40 主要是根据以前公司一个实际产品讲的，如果有人看出来是哪个产品，自己知道就好哦然后有些地方在网上搜了下资料，作为补充，不要说偶剽窃就好啦A208-汕头-新月(3974992) 13:58:03 现在开始吧A208-汕头-新月(3974992) 13:58:34 这次LLC和网上一样，重点用不对称半桥LLCA208-汕头-新月(3974992) 13:59:11 其它对称半桥、全桥，单极LLC等会略微复杂点A208-汕头-新月(3974992) 13:59:20 先上图A208-汕头-新月(3974992) 14:00:04 A208-汕头-新月(3974992) 14:00:22 LLC是指谐振电感LR，谐振电容CR，变压器原边激磁电感LmA208-汕头-新月(3974992) 14:00:32 负载是副边电阻A208-汕头-新月(3974992)  14:01:30LLC是调节开关频率的即PFM偶先从总体上说下原理直流增益计算公式如下图A208-汕头-新月(3974992)  14:02:58这里解释下VPFC是指输入电压A208-汕头-新月(3974992)  14:04:16先不管公式，输入电压是指2个mos中心点的方波电压，占空比是50%A208-汕头-新月(3974992)  14:06:09经过谐振电路，只有基波被传送到副边，其它成分都滤掉了因此输入电压只考虑这个方波电压的基波成分就可以了计算上采用傅立叶变化即可A208-汕头-新月(3974992)  14:07:39下图是从飞版的帖子上copy的，可以说明这个计算方法接下来讲下谐振电路的等效电路A208-汕头-新月(3974992)  14:08:55如下图简化图所示这个等效电阻是怎么来的？其中A208-汕头-新月(3974992)  14:10:02也可以从飞版的帖子中看出这里是以全桥整流作为例子A208-汕头-新月(3974992)  14:11:02把电流想象成正旋波而电压是方波得出的等效电阻全波整流也可以得出这个结论。

A208-汕头-新月(3974992)  14:12:52这里要提醒一下，这个电流正弦波只是在开关频率接近谐振频率时的一个工程近似，这个后面会看到，所以这个增益公式仅是一个近似公式解决了输入电压，等效电阻，接下来就可以推导这个直流增益公式了A208-汕头-新月(3974992)  14:14:31很简单，就是LM与Re并联，并和LR、cr串联之后的分压比具体公式如下，可能有些符号会有点不一致归一化之后就得到A208-汕头-新月(3974992)  14:15:35这是一个复域函数,即S域函数再转换成直流增益函数，即可A208-汕头-新月(3974992)  14:17:02因为是出自不同的资料，所以符号写法有些差异再重新贴下最初的公式，其实是一样的A208-汕头-新月(3974992)  14:18:02把这个公式用图形表示出来会更直观一点A208-汕头-新月(3974992)  14:19:14这张图在飞版的帖子里也可以看到，所以有理由相信飞版以前和偶有可能在同一家公司待过A208-汕头-新月(3974992)  14:20:57漏讲了一点A208-汕头-新月(3974992)  14:22:36谐振电感LR与谐振电容cr串联，组成传统意义上的谐振腔（Resonant Tank）,谐振频率。

前一个谐振频率就叫 谐振频率fr励磁电感LM作为一个重要的谐振元件，与LR、Cr串联，组成另外一个谐振点，其谐振频率后一个谐振频率叫 串联谐振频率fmA208-汕头-新月(3974992)  14:24:39从这张图可以看出，工作频率即可以低于 fr，也可以高于，均可实现ZVSA208-汕头-新月(3974992)  14:25:55但是当工作频率高于fr时，且负载较重时，出现开关管的ZCS不是最佳选择并且，该区域不能够实现低于谐振频率到高于谐振频率范围内工作频率和增益的单调性，失去了负反馈设计的单调性基础，使环路难以设计或非常复杂因此，要避免进入该区域A208-汕头-新月(3974992)  14:27:21所以接下来重点说下工作频率低于fr时的工作原理A208-汕头-新月(3974992)  14:28:24重贴一下电路图，并规定谐振电流，谐振电压参考方向A208-汕头-新月(3974992)  14:29:24上面有笔误，实际是工作频率低于FR，不好意思前面都弄反了当工作频率低于fr时，波形图如下A208-汕头-新月(3974992)  14:30:56A208-汕头-新月(3974992)  14:32:37不好意思，贴错了，也说错了A208-汕头-新月(3974992)  14:33:42重新讲一下，图片右边是工作频率大于谐振频率，容易实现ZVS容易实现单调性接下来讲一下工作频率大于谐振频率的工作原理A208-汕头-新月(3974992)  14:35:05分4个工作区在t0时刻，Q2关断，谐振电流ir为负，将Q2的Vds电压充到和输入电压相等，同时将Q1的Vds电压放到0后，流经Q1的体二极管D1进行续流。

由于D1的导通，使得Q1的Vds电压为零，在谐振电流过零前，可以实现Q1的ZVSA208-汕头-新月(3974992)  14:37:08大家注意一下波形的ilr，ilm这2个电流的差值电流，即流过变压器传递到负载的电流A208-汕头-新月(3974992)  14:38:15决定了副边哪个二极管导通当Q1驱动信号到来，ZVS开通时，并没有电流流过Q1此时，由于输入电压对谐振电路做负功，谐振电流绝对值迅速减小，同时整流二极管DR2的电流id2迅速减小，励磁电流im的绝对值线性上升A208-汕头-新月(3974992)  14:39:54t1-t2如下t1时刻，谐振电流等于励磁电感电流从t1开始，谐振电流数值上小于负斜率下的励磁电流，因此不能使DR2继续导通下去A208-汕头-新月(3974992)  14:41:03这2副图的差异就是副边二极管换流电流方向变了因此，在正向增加的励磁电流作用下，副边整流二极管DR1导通直到t2时刻，谐振电流谐振到零；从t2开始，D1自然换流关断，Q1开始流过电流A208-汕头-新月(3974992)  14:42:29这里的差异是谐振电流的方向变了Q1导通，D1自然关断A208-汕头-新月(3974992)  14:43:32负半周的情况与这个类似，就不多说了。

从这3张工作原理图可以看出mos是工作在ZVS的，副边二极管是工作在ZCS的A208-汕头-新月(3974992)  14:45:05总结下LLC的优点，就是1. 能够使输出范围宽，并且几乎全负载范围实现ZVS，副边整流二极管自然过零，有利于效率的优化；2. 额定输出态设计在谐振频率处成为可能，正弦电流波形使开关频率的高次谐波分量很小，并且工作频率低于谐振频率时副边整流二极管几乎没有反向恢复，由此造成的辐射问题大大减轻，有利于EMI的设计3. 副边不用体积较大的差模电感进行滤波，节省了体积了成本；4. 谐振电路PFM调频控制方式，作为天生的抖频设计，能够使EMI相关频谱变低而宽，有利于EMI设计A208-汕头-新月(3974992)  14:46:58接下来说一下LLC的参数设计主要是变压器激磁电感LM 谐振电感LR 谐振电容cr 变压器变比nA208-汕头-新月(3974992)  14:48:15Lm/Lr的比值有一个推荐范围，为3~5如果Lm/Lr比例越高，越接近于传统SRC的工作特性，在工作频率低于谐振频率的曲线，就越容易在重载下进入ZCS区，如造成单调性的丧失和ZVS条件的丧失，并且，Lm/Lr比例高，频率调节范围也会变宽，使整流模块高压输出频率过低，低压输出频率过高；A208-汕头-新月(3974992)  14:49:42如果Lm/Lr比例过低，并且感量数值也比较低，则励磁电感Lm由于过低而使原边谐振电流中励磁电流成分过高，有效传到副边的负载电流成分偏低，导致开关管电流有效值偏高，导通损耗增加；励磁电流过大，会导致开关管关断电流增大，关断损耗增加。

如果Lm/Lr比例过低，并且感量数值比较高，则如果谐振频率不变，谐振电容容量减小，有可能使谐振电容工作电压过高，给电容选型和成本带来困难；总之一句话，这个比值不能过高也不能过低，建议在3-5之间A208-汕头-新月(3974992)  14:51:302、关于谐振频率fr：为了满足效率指标，将额定输出状态下的工作频率初步定为和谐振频率相近但略小于谐振频率，也就是说，谐振频率基本决定了额定输出状态下的工作频率，所以首先选择合适的谐振频率frA208-汕头-新月(3974992)  14:53:29谐振fr，工作频率就要根据效率，变压器的设计等去合理设计了以上说了LLC的优点和参数的选择A208-汕头-新月(3974992)  14:54:35那LLC的缺点又是什么还是看这幅图A208-汕头-新月(3974992)  14:55:38当轻载时，开关频率会变的很大有几种解决方案A208-汕头-新月(3974992)  14:56:52比如加假负载，但是增加了空载效率A208-汕头-新月(3974992)  14:58:00再比如，通讯电源前级是PFC，可以调低PFC的母线电压，也即LLC电路的输入电压可是在高交流电压输入时，调低这个电压非常有限A208-汕头-新月(3974992)  14:59:16因此单纯的PFM控制会造成电路的失效A208-汕头-新月(3974992)  15:00:32这时在轻载下可以考虑同时调节工作频率和占空比也就是LLC PWM调节A208-汕头-新月(3974992)  15:02:07相当于输入方波电压，原来是50%的占空比，现在的占空比变小了。

所以基波有效值也变小了由于采用了PWM控制方法，会导致一个问题A208-汕头-新月(3974992)  15:03:34PWM的不单调问题A208-汕头-新月(3974992)  15:04:34以下图为例，图中Q2本来在t2时刻给出驱动信号并实际导通，因为正好t2时刻谐振电流正向流过Q2但观察到阴影部分的占空比，若Q2在t1~t2时间段内任意时刻导通，得到的谐振电流波形均和在t2时刻相同，都是Q2的体二极管在续流也就是说，Q2在t1到t2内任意时刻给出驱动信号，传递到副边的能量均相同，得到的输出电压也相同A208-汕头-新月(3974992)  15:05:35换句话说，不同的占空比，输出电压不会变化，这就是不单调问题A208-汕头-新月(3974992)  15:06:37为了克服这个问题要同时采用工作频率和占空比同时调节的方法，即PFM+PWM控制模式，通过精心的设计，可以解决这一问题A208-汕头-新月(3974992)  15:08:10解决的思想就是，在占空比变化，而输出电压不变的情况下，这时同时改变工。