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摘要:本规范介绍了一种DC/DC变换电路,该电路采用LLC谐振变换形式,并且几乎全负载范围实现ZVS;额定输出态可设计在谐振频率,正弦电流波性有利于EMI的设计;副边不用体积较大的差模电感进行滤波,谐振电路PFM调频控制方式,作为天生的抖频设计。
关键词:励磁;谐振;LLC;半桥
以下是对不对称半桥LLC串联谐振变换器的工作过程的分析。如下图为LLC谐振变换器原理图,在分析过程中,输出电容被认为无穷大,并且暂时忽略输出EMC滤波器;主开关具有反向并联的体二极管。对于LLC工作过程的分析,我们分为Ⅰ区和Ⅱ区两个部分,按照工作频率的不同,Ⅰ区工作于频率段,Ⅱ区工作于,本文只针对Ⅰ区进行说明。
这种模式开始于Q2在t0时刻关断。在这个时刻,谐振电感Lr电流为反向,流经Q1的体二极管,从而为Q1创造了ZVS的条件。在t0~t1时间段内,Q1的驱动信号应当给出,否则,谐振电感电流谐振到正向后,将会给Q1的结电容充电而失去ZVS条件。当然,也要考虑实际电路中和死区的配合,及器件参数的适当设计。这在后面主电路参数设计部分将要提到。当谐振电感电流流经Q1的体二极管时,输入电压开始给谐振回路提供能量,使谐振电流正向增加(对应此段表现为谐振电流负向绝对值减小);并且,谐振电流增加的斜率高于,故变压器励磁电感在原边产生的感应电压由于在副边被输出恒压Vo钳住而固定为nVo(此时励磁电流为负,变化率为正),谐振电流中除励磁电流外的成分作为负载电流传递到副边,方向为正,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。
Mode2(t1~t2):
在t=t1时刻,Q1开通,输入电压通过LrCr谐振环节向负载传输能量,此时整流二极管DR1已经导通,励磁电流im继续线性上升,并且过零反向继续上升;由于副边恒压源的钳位作用,其励磁电压为输出侧折算到原边的恒定电压,即,式中Vo为输出电压,Vm为励磁电感两端电压。而励磁电流和输出电压的关系满足下式,式中为励磁电流线性上升斜率。谐振电流ir流经Q1、Lr、Cr和变压器原边,并以正弦形式谐振[1]。流经整流二极管DR1的电流折算到原边为谐振电流和励磁电流之差。由于开关频率f<fr,当谐振电流流经半个谐振周期时,Q1仍然开通。当谐振电流ir下降到和励磁电流im相等的t2时刻,设此时励磁电流为,则稳态时有以下关系式成立:
此时,Lr、Cr继续谐振下去的话,总的谐振电流将会小于励磁电流,也就意味着励磁电流不能够再正方向继续增加。这样,励磁电流上升斜率的丧失,也就意味着变压器副边由于感应电压低于输出恒定电压nVo而不能够再导通DR1,原边已经不能为副边提供能量,副边整流二极管DR1电流过零关断。
Mode3(t2~t3):
充放电的结果,使得Q1的Vds升高为输入电压,Q2的Vds减小到零,则Q2的体二极管D2在ir的持续作用下自然导通。由于谐振电流的减小,副边整流二极管DR2导通,励磁电感Lm的电压再次被输出电压钳位。此时谐振只发生在Lr和Cr之间,励磁电流im线性下降。这种模式下的第一种工作状态结束。
在t3时刻之后将Q2导通,但t3时刻Q2中并无电流流过;整流二极管DR2导通,励磁电流im继续线性下降,谐振电流ir过零后才正式流经Q1,并以正弦形式逐渐负向增加。此模态第2个工作状态开始。
此时Q2为ZVS开通,输入电压通过LrCr谐振环节向负载传输能量。与t0时刻相同,此时谐振电容Cr取代输入电压作为能量源头,以Lr、Cr谐振的方式,减小正向谐振电流,增大负向谐振电流;与t0时刻同理,整流二极管DR2仍然在导通,继续为负载提供能量。流经整流二极管的电流折算到原边仍然为谐振电流和励磁电流之差。由于开关频率f<fs,当谐振电流流经半个周期的谐振时,Q2仍然开通。当谐振电流ir下降到励磁电流im时整流二极管DR2电流过零关断,t4~t5与t2~t3对应相似。
参考文献
[1]贾世江,肜连超.半桥LLC谐振变换器的研究[J].中国化工贸易,2012(6):201-202..
[2]南文锐.半桥LLC谐振电路设计与研究[J].数字技术与应用,2017(6):161-161.