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电路详解:电源谐振半桥转换电路

由于有更强的输出调节功能、更小的循环电流和更低的电路成本。使得LLC串联谐振转换器(LLC-SRC)格外引人瞩目,为什么这么说呢?看电路详解!

和传统脉宽调制(PWM)电源转换器不同的是,谐振转换器通过频率调制来调节输出电压。因此,谐振转换器的设计方法也与PWM转换器的设计方法有所差异。在各种类型的谐振转换器中,图1的LLC串联谐振转换器(LLC-SRC)格外引人瞩目,因为它有更强的输出调节功能、更小的循环电流和更低的电路成本。具有交流(AC)输入/输出电压的LLC-SRC

图1:具有交流(AC)输入/输出电压的LLC-SRC  串联谐振特性允许直流(DC)/DC LLC-SRC中的开关网络(如图2所示)拥有很宽范围的零电压开关(ZVS);因此,LLC-SRC能在前端电源应用中轻松实现超过94%的效率,并能在高开关频率下运行。

LLC谐振半桥转换器

图2:LLC谐振半桥转换器

和PWM转换器的设计过程相似,当设计LLC-SRC时,第一个步骤是选择满负载情况下所需的工作频率。剩下的步骤就不同了,因为谐振转换器里没有占空比因数。在LLC-SRC中占空比保持不变,是50%,非常理想。图3展示了LLC-SRC的设计流程图(来自TI电源设计研讨会主题“设计 LLC谐振半桥电源转换器”)。:LLC谐振半桥变换器设计流程图
:LLC谐振半桥变换器设计流程图

图3:LLC谐振半桥变换器设计流程图

Mg/Qe和Mg/fn图表中的增益曲线是由图1所示的LLC谐振槽路(它也是LLC谐振半桥转换器的线性化电路)衍生而来的。

图3提供了LLC谐振半桥转换器的简单电路参数选择过程。通过检查增益曲线上的fn_min、fn_max位置,您就能设计出在所有输入条件下开关网络上均具有ZVS的高效LLC谐振半桥变换器。

当设计LLC谐振半桥变换器时,请谨记:

任何时候,在Mg/fn图表中fn_min都需要高于增益曲线的脊线。这是为确保金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)能保持ZVS状态。LLC-SRC的效率只能在一个操作点进行优化。当fsw= fo时,串联Lr和Cr变成零阻抗状态(图4);该转换器在那个点具有最高的效率。您需要决定自己想优化的线路/负载条件,并确保您的开关频率在那样的条件下是谐振频率。

当fsw=fo时具有AC输入/输出电压的LLC-SRC

图4:当fsw=fo时具有AC输入/输出电压的LLC-SRC  等离子和液晶电视如今已经走入了千家万户,这两种电器的开关电源设计比较特殊,只能采用有源或者无源PFC模式,并且需要能够长时间在无散热通风的环境下工作。这就要求电源不仅要拥有高功率密度和平滑的电磁干扰信号,还要尽量少的使用元器件。而在这些方面,半桥LLC谐振转换器拥有诸多的优势。

半桥LL谐振电容和谐振电感的配置

单谐振电容和分体谐振电容都存在于半桥转换器当中。对于单谐振电容配置而言,它的输入电流纹波和均方根(RMS)值较高,而且流经谐振电容的均方根电流较大。这种方案需要耐高压(600~1,500V)的谐振电容。不过,这种方案也存在尺寸小、布线简单等优点。

半桥LLC转换器的两种不同配置

(a)单谐振电容;(b)分体谐振电容。  图1:半桥LLC转换器的两种不同配置  分体谐振电容相较于单个谐振电容而言,其输入电流纹波和均方根值较小。谐振电容仅处理一半的均方根电流,且所用电容的电容量仅为单谐振电容的一半。当利用钳位二极管(D3和D4)进行简单、廉价的过载保护时,这种方案中,谐振电容可以采用450V较低额定电压工作。顾名思义,半桥LLC转换器中包含2个电感(励磁电感Lm和串联的谐振电感Ls)。根据谐振电感位置的不同,谐振回路也包括两种不同的配置,一种为分立解决方案,另一种为集成解决方案。这两种解决方案各有其优缺点,采用这两种方案的LLC的工作方式也有轻微差别。  将谐振电感安装在变压器外面是有目地的。其能够帮助设计者提高设计的灵活性,令设计人员可以灵活设置Ls和Lm的值;此外,EMI幅射也更低。不过,这种解决方案的缺点在于,变压器初级和次级绕组间的绝缘变得复杂,并且绕组的冷却条件变差,并需要组装更多元件。

谐振储能元件的两种不同配置

(a)分立解决方案;(b)集成解决方案。  图2:谐振储能元件的两种不同配置

在另一种集成的解决方案中,变压器的漏电感被用作谐振电感(LLK=LS)。这种解决方案只需1个磁性元件,而且会使得开关电源的尺寸更小。此外,变压器绕组的冷却条件更好,且初级和次级绕组之间可以方便地实现绝缘。不过,这种解决方案的灵活性相对较差(可用的LS电感范围有限),且其EMI幅射更强,而初级和次级绕组之间存在较强的邻近效应。半桥LLC转换器建模和增益特性  编辑点评:通过对实例的讲解,介绍了半桥LLC谐振转换器设计的部分要点和技巧,如配置、工作状态、增益特性等等,还对一些特定的参数进行了确定,希望本篇文章能够帮助大家增进对半桥LLC谐振转换器的了解。

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