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[经验] LLC谐振变换器:提升开关电源效率的重要开关拓扑

2020-7-14 07:00:00  877 LLC 开关电源 电源设计
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近来,]2. LLC 电路的特点
LLC]1. LLC 转换器可以在宽负载范围内实现零电压开关
2.]3. 采用频率控制,上下管的占空比都为50%.
4.]5. 无需输出电感,可以进一步降低系统成本。
6.]3. LLC 电路的基本结构以及工作原理
图1和图2分别给出了LLC谐振变换器的典型线路和工作波形。如图1所示LLC转换器包括两个功率MOSFET(Q1和Q2),其占空比都为0.5;谐振电容Cr,副边匝数相等的中心抽头变压器Tr,等效电感Lr,励磁电感Lm,全波整流二极管D1和D2以及输出电容Co。
<span]
图1]
图2] 而LLC有两个谐振频率,Cr, Lr 决定谐振频率fr1; 而Lm, Lr, Cr决定谐振频率fr2。
系统的负载变化时会造成系统工作频率的变化,当负载增加时,]
3.1]LLC变换器的稳态工作原理如下。
1)〔t1,t2〕
<span]Q1关断,Q2开通,电感Lr和Cr进行谐振,次级D1关断,D2开通,二极管D1约为两倍输出电压,此时能量从Cr, Lr转换至次级。直到Q2关断。
2)〔t2,t3〕
<span]Q1和Q2同时关断,此时处于死区时间, 此时电感Lr, Lm电流给Q2的输出电容充电,给Q1的输出电容放电直到Q2输出电容的电压等于Vin.
次级D1和D2关断]3)〔t3,t4〕
Q1导通,Q2关断。D1导通,]Cr和Lr谐振在fr1, 此时Ls的电流通过Q1返回到Vin,直到Lr的电流为零次相位结束。
4)〔t4,t5〕
<span]Q1导通, Q2关断, D1导通, D2关断,Vd2=2Vout
Cr和Lr谐振在fr1,]5)〔t5,t6)
Q1,Q2同时关断,]6)〔t6,t7〕
Q1关断,Q2导通,D1关断,]3.2 LLC谐振转换器异常状态分析
以上描述都是LLC工作在谐振模式,]3.21 启机状态分析
通过LLC]图3 LLC 仿真波形
我们将焦点放在第二个开关周期时如图4,我们发现此时也会出现跟第一个开关周期类似的尖峰电流,而且峰值会更高,同时MOSFET]
图4]对MOSFET结构有一定了解的工程师都知道,MOSFET不同于IGBT,在MOSFET内部其实寄生有一个体二极管,跟普通二极管一样在截止过程中都需要中和载流子才能反向恢复, 而只有二极管两端加上反向电压才能够使这个反向恢复快速完成, 而反向恢复所需的能量跟二极管的电荷量Qrr相关, 而体二极管的反向恢复同样需要在体二极管两端加上一个反向电压。在启机时加在二极管两端的电压Vd=Id2 x Ron. 而Id2在启机时几乎为零,而二极管在Vd较低时需要很长的时间来进行反向恢复。如果死区时间设置不够,如图5所示高的dv/dt会直接触发MOSFET内的BJT从而击穿MOSFET.
<span]图5
通过实际的测试,我们可以重复到类似的波形,第二个开关周期产生远比第一个开关周期高的峰值电流,同时当MOSFET在启机的时dv/dt高118.4V/ns.]
图6
<span]3.22 异常状态分析
下面我们继续分析在负载剧烈变化时,对LLC拓扑来说存在那些潜在的风险。
<span]在负载剧烈变化时,如短路,动态负载等状态时,LLC电路的关键器件MOSFET同样也面临着挑战。
通常负载变化时LLC]
时序1,]-传统MOSFET此时电子电流经沟道区,从而减少空穴数量
-CoolMOS此时同传统MOSFET一样电子电流经沟道,穴减少,不同的是此时CoolMOS]
时序2,]Q1和Q2关断时对于传统MOSFET和CoolMOS来说内部电子和空穴路径和流向并没有太大的区别
时序3,]-传统MOSFET此时载流子抽出,此时电子聚集在PN节周围, 空穴电流拥堵在PN节边缘。
-CoolMOS的电子电流和空穴电流各行其道,]综上, 当LLC电路出现过载,短路,动态负载等条件下, 一旦二极管在死区时间不能及时反向恢复, 产生的巨大的复合电流会触发MOSFET内部的BJT使MOSFET失效。
有的]4. 如何更容易实现ZVS
通过以上的分析,可以看到增加MOSFET的死区时间,可以提供足够的二极管反向恢复时间同时降低高dv/dt,]
图7
<span]对于LLC 电路来说死区时间的初始电流为
<span]而LLC能够实现ZVS必须满足
<span]而最小励磁电感为
<span]根据以上3个等式,我们可以通过以下三种方式让LLC实现ZVS.
第一,]第二, 增加死区时间。
第三,]从以上几种状况,我们不难分析出。增加Ipk会增加电感尺寸以及成本,增加死区时间会降低正常工作时的电压,而最好的选择无疑是减小Coss,因为减小无须对电路做任何调整,只需要换上一个Coss相对较小MOSFET即可。  
5.]LLC 拓扑广泛的应用于各种开关电源当中,而这种拓扑在提升效率的同时也对MOSFET提出了新的要求。不同于硬开关拓扑,软开关LLC谐振拓扑,不仅仅对MOSFET的导通电阻(导通损耗),Qg(开关损耗)有要求,同时对于如何能够有效的实现软开关,如何降低失效率,提升系统可靠性,降低系统的成本有更高的要求。CoolMOS,具有快速的体二极管,低Coss,有的可高达650V的击穿电压,使LLC拓扑开关电源具有更高的效率和可靠性。

王栋春 2020-7-14 10:01:51
非常不错的资料分享
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盲风怪雨 2020-7-25 10:39:56
llc这方面资料少啊,谢谢
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yueer99 6 天前
不错,学习学习
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