車(chē)載充電機(jī)OBC電路--LLC諧振設(shè)計(jì)

LLC含有電感、電容和電阻元件的單口網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)控制開(kāi)關(guān)頻率(頻率調(diào)節(jié))來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振，優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以降低電源的開(kāi)關(guān)損耗，提高功率變換器的效率和功率密度。

LLC有哪些特點(diǎn)?

1. LLC 轉(zhuǎn)換器可以在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。

2. 能夠在輸入電壓和負(fù)載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出，同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率變化相對(duì)很小。

3. 采用頻率控制，上下管的占空比都為50%.

4. 減小次級(jí)同步整流MOSFET的電壓應(yīng)力，可以采用更低的電壓MOSFET從而減少成本。

5. 無(wú)需輸出電感，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

6. 采用更低電壓的同步整流MOSFET, 可以進(jìn)一步提升效率?？諝鈨艋飨到y(tǒng)(MOS管實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì))上

LLC半橋

電路中，可控MOS管Q1和Q2串聯(lián)，組成半橋。每個(gè)MOS管，都內(nèi)置有方向并聯(lián)二極管、同時(shí)在漏極和源極有一個(gè)等效電容(其實(shí)高頻特性下，MOS管的每個(gè)引腳之間都有一個(gè)等效電容)。電容Cr和電感Lr、和變壓器T1的原邊電感Lm構(gòu)成了一個(gè)LLC諧振電路。變壓器T1的副邊，經(jīng)過(guò)二極管D1和二極管D2，整流后得到為負(fù)載供電。電容Cout主要起濾波作用?？諝鈨艋飨到y(tǒng)(MOS管實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì))下

LLC全橋

全橋LLC與半橋LLC的區(qū)別：

變壓器匝數(shù)比比半橋增大一倍;反激開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)及調(diào)試

Lr、Lm是半橋的4倍，Cr是半橋的1/4—保證Q值不變;

需要隔離驅(qū)動(dòng);

變壓器匝數(shù)變多，線徑變小;

MOSFET數(shù)量由2個(gè)變?yōu)?個(gè)—在低壓大電流時(shí)，半橋LLC也需要用4個(gè);都用4個(gè)MOSFET時(shí)，二者損耗相當(dāng);

全橋LLC整體電流應(yīng)力小;

LLC應(yīng)用

最佳應(yīng)用：輸入高壓400V左右，輸出50V左右

前級(jí)接PFC時(shí)，電壓較為穩(wěn)定，多數(shù)時(shí)間在諧振區(qū)附近工作;

MOSFET的Rds適當(dāng)，驅(qū)動(dòng)難度不大;

電感、變壓器便于設(shè)計(jì);

二極管可用肖特基二極管;

諧振電容適當(dāng)。元器件與電磁兼容

磁集成：600W以內(nèi)

磁芯和變壓器骨架難選，但線繞工藝簡(jiǎn)單;

漏感和勵(lì)磁電感比例不能精確控制，但影響不大。

高端應(yīng)用

工頻紋波大是一個(gè)很突出的問(wèn)題;

副邊同步整流也是一個(gè)難點(diǎn);

工作頻率高時(shí)增益反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

車(chē)載充電機(jī)(OBC)產(chǎn)品采用LLC諧振電路，擁有高效率、高功率密度等核心優(yōu)勢(shì)。

迪龍新能源專注于車(chē)載充電機(jī)、車(chē)載DC/DC變換器和車(chē)載集成一體機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)與銷(xiāo)售，是全球知名的車(chē)載電源供應(yīng)商。

本文就LLC的一些關(guān)鍵問(wèn)題做了解答，如LLC為何要工作在感性區(qū)域，以及LLC分體諧振電容有什么優(yōu)缺點(diǎn)等。

一、LLC為何要工作在感性區(qū)域?

任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都是呈現(xiàn)感性、容性和純阻性三種狀態(tài)，對(duì)于LLC網(wǎng)絡(luò)而言同樣存在以上三種狀態(tài)，根據(jù)輸入及負(fù)載變化由容性阻性感性而變化。

工作在純阻性區(qū)域是我們理想的工作狀態(tài)，因?yàn)樽栊跃W(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素最高，網(wǎng)絡(luò)特性最好;

工作在容性區(qū)域的話電流超前于電壓，對(duì)于前級(jí)開(kāi)關(guān)管而言容易實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷，這個(gè)區(qū)域比較適合IGBT;

工作在感性區(qū)域的話電壓超前于電流，對(duì)于前級(jí)開(kāi)關(guān)管而言容易實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通，這個(gè)區(qū)域比較適合MOSFET;

對(duì)于中小功率電源而言普遍使用MOSFET，因此常規(guī)LLC拓?fù)溟_(kāi)關(guān)電源選擇工作于感性區(qū)域。

二、ZVS1和ZVS2各有什么優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇?

LLC網(wǎng)絡(luò)存在兩個(gè)電感一個(gè)電容，也就是說(shuō)存在兩個(gè)諧振點(diǎn)，一個(gè)是Lr和Cr的諧振點(diǎn)，另一個(gè)諧振點(diǎn)由Lm，Cr以及負(fù)載條件決定。負(fù)載加重，諧振頻率將會(huì)升高。

在整個(gè)感性區(qū)域都能實(shí)現(xiàn)ZVS，在ZVS1區(qū)不能實(shí)現(xiàn)次級(jí)整流管的ZCS關(guān)斷，存在反向恢復(fù)問(wèn)題;在ZVS2區(qū)可以實(shí)現(xiàn)次級(jí)整流管的ZCS關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)問(wèn)題。

因此對(duì)于選擇網(wǎng)絡(luò)工作于ZVS1還是ZVS2區(qū)域有不同看法。

從理論上來(lái)講工作于ZVS2區(qū)域效率高于ZVS1區(qū)，越接近于諧振點(diǎn)的工作點(diǎn)效率越高，同時(shí)兼顧短路性能等問(wèn)題，建議工作點(diǎn)選擇略大于諧振點(diǎn)(基于LLC短路問(wèn)題靠增加頻率來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗來(lái)保護(hù)這一特性)。

三、LLC初級(jí)MOSFET是ZVS關(guān)斷還是ZCS關(guān)斷?

LLC工作在感性區(qū)域，因此開(kāi)通是ZVS，但關(guān)斷既不是ZVS也不是ZCS，是硬開(kāi)關(guān)關(guān)斷，損耗不可避免，但對(duì)于MOSFET而言，開(kāi)通損耗相對(duì)關(guān)斷損耗大很多，對(duì)于LLC的ZVS而言是指開(kāi)通時(shí)刻的ZVS，因此可以大大降低開(kāi)關(guān)損耗。

四、為何計(jì)算LLC匝比的時(shí)候要用母線電壓的一半?

我們計(jì)算反激或者正激電路時(shí)都是使用母線電壓來(lái)設(shè)計(jì)匝比，但是LLC為何只使用母線電壓的一半來(lái)計(jì)算匝比呢?

在LLC上管開(kāi)通的半個(gè)周期內(nèi)母線給LLC網(wǎng)絡(luò)輸入能量，這個(gè)能量一部分直接傳遞給輸出，另一部分儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，在下管開(kāi)通的半個(gè)周期內(nèi)，依靠諧振電容和諧振電感輸出能量。

所以只有上半個(gè)周期母線給網(wǎng)絡(luò)輸入了能量，即時(shí)間的利用率是一半，等效于輸入電壓的利用率為1/2。

五、LLC分體諧振電容有什么優(yōu)缺點(diǎn)?

LLC半橋諧振電路中，根據(jù)這個(gè)諧振電容的不同聯(lián)結(jié)方式，典型LLC諧振電路有兩種連接方式，不同之處在于LLC諧振腔的連接。

左圖采用單諧振電容Cr，其輸入電流紋波和電流有效值較高，但布線簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低;

右圖采用分體諧振電容C1、C2，其輸入電流紋波和電流有效值較低，C1和C2上分別只流過(guò)一半的有效值電流，且電容量?jī)H為左圖單諧振電容的一半。

比較而言，分體諧振優(yōu)勢(shì)不大。

六、LLC獨(dú)立諧振電感和集成諧振電感各有什么優(yōu)缺點(diǎn)?

先說(shuō)說(shuō)集成諧振電感的方式，這種方式是利用變壓器初級(jí)漏感來(lái)做諧振電感的，優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，缺點(diǎn)是漏感很難控制，和變壓器繞法，初級(jí)匝數(shù)存在著緊密的聯(lián)系，因此諧振參數(shù)不好調(diào)節(jié)，性能難做到最優(yōu)。

獨(dú)立諧振電感的方式是通過(guò)外置一個(gè)諧振電感，同時(shí)控制主變壓器的漏感在很小的范圍內(nèi)，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是容易調(diào)節(jié)諧振電感與勵(lì)磁電感低比例，優(yōu)化起來(lái)更靈活，容易調(diào)節(jié)到一個(gè)理想狀態(tài)，缺點(diǎn)是增加了一個(gè)諧振電感增加體積，布線難度和成本增加。

因此一般功率較小的電源都更愿意使用集成諧振電感，成本相對(duì)較低，性能要求不是很苛刻;功率大的更愿意使用外置諧振電感，性能容易優(yōu)化。

七、LLC的開(kāi)關(guān)管能否直接并聯(lián)?

彌勒電容Cgd對(duì)于MOSFET而言是寄生于柵極和漏極之間的電容，對(duì)于硬開(kāi)關(guān)電路而言，驅(qū)動(dòng)電流對(duì)Cgs和Cgd充電，并且開(kāi)始開(kāi)通，而在開(kāi)通過(guò)程中，Vds電壓下降，所以Cgd開(kāi)始放電，故此時(shí)需較大的驅(qū)動(dòng)電流要對(duì)Cgd充電，這會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓波形出現(xiàn)一個(gè)短暫的平臺(tái)，所謂的米勒平臺(tái)。

關(guān)斷的時(shí)候，DS電壓急劇上升，DG電容會(huì)流過(guò)電流對(duì)GS電容充電，引起二次導(dǎo)通。

要消除開(kāi)通時(shí)刻的彌勒效應(yīng)，在開(kāi)關(guān)管即將開(kāi)通的時(shí)刻DS電壓為零，即ZVS。

LLC電源的優(yōu)點(diǎn)包括：

低成本、高可靠性：LLC電路因其設(shè)計(jì)和制造工藝，能夠在保證性能的同時(shí)提供較低的成本和較高的可靠性

EMI性能良好：由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，LLC電源具有良好的電磁干擾(EMI)性能。

功率密度高：在開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)中，LLC電路通常與PFC電路結(jié)合使用，這樣可以減小高壓濾波電容的容量，減少元器件用量，并提高功率密度。

高效率：LLC架構(gòu)的工作頻率高，損耗小，使得其在高頻和高功率密度設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出色。

體積?。篖LC架構(gòu)的設(shè)計(jì)使其在相同功率下相比其他技術(shù)擁有更小的體積。

適用于多種應(yīng)用：無(wú)論是固定電壓輸出的場(chǎng)合還是多路輸出的大功率快充設(shè)備，LLC架構(gòu)都能找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景。

易于集成：由于其模塊化的設(shè)計(jì)，LLC電源可以方便地進(jìn)行集成，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

良好的溫度穩(wěn)定性：LLC電源在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出的溫度穩(wěn)定性較好，有助于維持穩(wěn)定的工作效率。

支持GaN開(kāi)關(guān)元件：隨著碳化硅二極管的普及，LLC架構(gòu)配合GaN開(kāi)關(guān)元件可以有效降低驅(qū)動(dòng)開(kāi)銷(xiāo)，進(jìn)一步提升效率和工作頻率。