LLC電路的諧振工作模態(tài)淺析

時間：2022-10-21 14:45:14

關(guān)鍵字： LLC諧振電路諧振狀態(tài) 工作狀態(tài)

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[導(dǎo)讀]LLC諧振電路是常用的拓?fù)?，廣泛應(yīng)用在目前的熱門應(yīng)用中，本文主要從典型諧振狀態(tài)來分析其基本工作過程，后續(xù)我們將逐步擴(kuò)展到其它工作狀態(tài)。

LLC諧振電路是常用的拓?fù)?，廣泛應(yīng)用在目前的熱門應(yīng)用中，本文主要從典型諧振狀態(tài)來分析其基本工作過程，后續(xù)我們將逐步擴(kuò)展到其它工作狀態(tài)。

一.電路工作基本條件及電路組成

圖1 電路主要組成部分

如上圖1所示，當(dāng)Q1,和Q2交替導(dǎo)通時，相當(dāng)于一個幅值為Vdc的方波電壓加在上圖中的諧振腔部分，那么必然在諧振腔電路中產(chǎn)生正弦電流。正弦電流和基波電壓的基本相位關(guān)系主要有三種，電壓電流同相位，電壓超前于電流相位，電壓滯后于電流相位。當(dāng)電壓超前于電流時電路處于感性工作區(qū)域，電壓滯后于電流相位時電路處于容性工作狀態(tài)。本文重點(diǎn)分析感性工作狀態(tài)區(qū)域。

這里我們進(jìn)行開關(guān)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)分析，單獨(dú)將開關(guān)部分拿出來作為圖2，如下所示。

圖2 半橋開關(guān)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分析

這個半橋LLC諧振開關(guān)主要由上下mosfet Q1和Q2組成的半橋開關(guān)，我們定義諧振腔電流留出兩個電流中點(diǎn)時為正電流，相反方向?yàn)樨?fù)電流。D1和D2為開關(guān)寄生的體二極管，C1和C2為開關(guān)的寄生電容。

二.開關(guān)的ZVS開通簡要分析

圖3 開關(guān)ZVS開通分析

接下來，我們基于圖3所示的驅(qū)動波形及諧振腔電流波形進(jìn)行ZVS開通分析。

圖4 t0-t1階段諧振電流流入D1

在t0時刻，電路中的開關(guān)均處于turn off狀態(tài)，諧振腔電流中只有磁化電流且為負(fù)電流，這個電流流入電容中點(diǎn)進(jìn)入Q1的體二極管，此時若turn on Q1開關(guān)，則由于Q1兩端的電壓非常小，則開通損耗就非常小。所以，一般認(rèn)為只要在t0-t1之間的時刻開通Q1，則Q1的開通損耗非常小，此時電路處于感性工作區(qū)域，且得到ZVS開通特性。

圖5 t1-t2之間Q1開通向輸出傳遞能量

t1-t2之間的工作狀態(tài)比較簡單，Q1的開關(guān)是導(dǎo)通的，因此諧振腔電壓為正，諧振腔電流也為正，輸入源Vdc向輸出傳遞能量。

圖6 t2-t3之間Q2的ZVS開通

在t2時刻時，Q1是關(guān)閉的，而諧振電流為正，因此只能流過Q2的體二極管D2,Q2兩端的電壓就非常小，在t2和t3之間的時刻開通Q2，這個開關(guān)就會得到ZVS開通的特性，開通損耗非常小。

圖7 t3-t4 Q2開關(guān)開通向輸出傳遞能量

t3-t4之間段，半橋開關(guān)的下管Q2導(dǎo)通，諧振電流流入電容中點(diǎn)，因此這個階段輸入源通過Q2開關(guān)向輸出傳遞能量，此時電壓和電流的方向都是負(fù)的。

三．電路諧振狀態(tài)時序詳細(xì)分析

說到電路的諧振狀態(tài)分析，我們先了解一下電路存在的兩個諧振工作頻率。

圖8 電路的諧振頻率fr

諧振電路由于存在諧振電感和諧振電容，因此具有一個諧振頻率fr如圖8所示。另一個諧振頻率是由磁化電感Lm和諧振電容導(dǎo)致，如圖9所示。

圖9 電路的諧振頻率fr2

當(dāng)我們提到諧振頻率的時候，我們通常是說fr這個頻率。為了方便計(jì)算和分析，我們通常會用當(dāng)前工作頻率相對于fr來定義歸一化頻率，如圖10所示。

圖10 歸一化頻率的定義

下面我們主要基于如下的電路進(jìn)行分析詳細(xì)工作時序，如圖11所示。

圖11 LLC電路原理框圖

從中可以看出，開關(guān)同樣包含了寄生體二極管，及寄生電容，寄生電容包含mosfet CDS寄生電容及電路雜散電容,副邊整流為了清晰說明原理，我們采用了二極管整流，后續(xù)我們會專門討論同步整流相關(guān)的問題。

圖12 LLC諧振電路典型工作波形

在圖12中的典型工作波形中，我們給出了以下主要信號波形，主要包括Q1,Q2開關(guān)驅(qū)動波形，原邊電流，包含磁化電流和諧振腔負(fù)載電流，mosfet開關(guān)兩端的電壓即C1和C2兩端電壓，副邊電流即D3和D4的電流。

電路分析主要以時間間隔來說明，這里重點(diǎn)解釋一下原邊電流部分，除了負(fù)載電流反射到原邊的電流之外，諧振腔的磁化電流部分不參與能量傳遞過程。

圖13 t時的電路狀態(tài)

最初的電路狀態(tài)假設(shè)如圖13所示，下管Q2導(dǎo)通，諧振電流為負(fù)流入電容節(jié)點(diǎn)，副邊整流管D4導(dǎo)通，電路向副邊傳遞能量。

圖14 t1-t2的死區(qū)電路分析

從t0時刻時Q2驅(qū)動會關(guān)掉，則兩個開關(guān)都處于turn off狀態(tài)，電路進(jìn)入死區(qū)時間階段t0-t1，此階段沒有能量從Vdc傳遞到輸出端，諧振腔電流僅僅為磁化電流進(jìn)行諧振換流且基本保持固定值。所謂的諧振換流，就是負(fù)的磁化電流在對寄生電容C1和C2充放電，在這個階段電流是負(fù)的，所以主要是對C2進(jìn)行充電同時對C1進(jìn)行放電。

這里有一個需要設(shè)計(jì)者注意的是磁化電流需要足夠大，以便在特定的死區(qū)時間內(nèi)能夠完成對C1的充電和對C2的放電，設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行合適的死區(qū)時間選擇和器件寄生參數(shù)的選擇。當(dāng)C2電壓充電到高于Vdc時開關(guān)Q1的體二極管D1就可以隨時準(zhǔn)備導(dǎo)通。

在死區(qū)階段，由于磁化電流基本不變，變壓器副邊電壓為0，因此副邊整流管都不導(dǎo)通。

圖15 t1-t2階段電路分析

這個階段當(dāng)Q1還沒有導(dǎo)通的時候，諧振電流還是流入寄生二極管D1（不向副邊傳遞能量）,因此開關(guān)Q1兩端的電壓非常小，此時若turn on Q1時可以得到ZVS開通特性，一旦開通Q1后，Vdc就把能量傳遞到輸出端，副邊整流管D3就可以導(dǎo)通。

圖16 t2-t3階段的能量傳遞階段電路分析

上圖中即是Q1和D3導(dǎo)通,Vdc向輸出傳遞能量的第一個半周期，輸出電壓對變壓器進(jìn)行鉗位，則磁化電流線性上升，如圖17所示，此時諧振腔電流疊加了負(fù)載電流所以比較大。

圖17 磁化電流變換公式

在典型波形圖上的C波形，諧振電流波形上的藍(lán)色部分就是在能量傳遞過程中，除了磁化電流外獲得的諧振腔電流。

圖18 t3-t4階段死區(qū)電路分析

在t3時刻時，Q1還是導(dǎo)通狀態(tài)，此時諧振電流等于磁化電流，此時turn off Q1開關(guān)，如果此時諧振腔電流較小時，則Q1關(guān)斷損耗會比較小。

值得注意的是，這里有兩個需要考慮的沖突的點(diǎn)，在這個時刻需要關(guān)斷Q1時的諧振電流盡可能地?。?/span>Lm足夠大），以便減小關(guān)斷損耗，但是在前面的Q1開通分析時，希望諧振電流盡可能地大（Lm足夠小），以便在特定地死區(qū)時間內(nèi)去完成C2充電和C1放電的過程。這里一般推薦用一個較大的Lm值去滿足開通時充電諧振過程，滿足ZVS開通。