LLC分析及其設(shè)計(jì)方法

LLC基波分析法

FHA(First harmonic approximation)：一次諧波近似原理，也稱為基波分析法。該原理是假設(shè)能量的傳輸只與諧振回路中電壓和電流傅立葉表達(dá)式中的基波分量有關(guān)

LLC諧振技術(shù)學(xué)習(xí)難點(diǎn)

LLC諧振技術(shù)的學(xué)習(xí)渠道和資料相當(dāng)有限

市場(chǎng)沒有完整教學(xué)書籍、視頻教程

互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)資源也有限

如何系統(tǒng)學(xué)習(xí)LLC

了解半橋串聯(lián)諧振軟開關(guān)：半橋LLC的等效模型、半橋LLC的基本穩(wěn)壓原理、f=fr1時(shí)的工作過程詳細(xì)與原邊ZVS副邊ZCS的實(shí)現(xiàn)、fr2 < f < fr1 時(shí)的工作過程詳細(xì)解析與原邊ZVS副邊ZCS的實(shí)現(xiàn)、f > fr1時(shí)的工作過程詳細(xì)解析與原邊ZVS的實(shí)現(xiàn)

LLC電源諧振腔元器件的計(jì)算與推導(dǎo)：諧振腔等效電路詳細(xì)解析、LLC基波分析法(FHA)的詳細(xì)解析、諧振腔增益公式的解析、諧振腔原邊等效電阻Rac的推導(dǎo)、諧振腔Q值的推導(dǎo)、諧振腔最高頻率于最低頻率的計(jì)算、諧振電容的容量計(jì)算、諧振電感的感量計(jì)算、變壓器的感量計(jì)算、諧振電流的峰值有效值的推導(dǎo)計(jì)算、勵(lì)磁電流的峰值電流有效值的計(jì)算、變壓器副邊電流的峰值有效值的推導(dǎo)計(jì)算、諧振電容的電壓峰值的推導(dǎo)計(jì)算

如何利用mathcad現(xiàn)場(chǎng)編寫半橋LLC計(jì)算：MathCad的使用方法、利用MathCad編輯出各參數(shù)的計(jì)算公式、編寫LLC增益曲線的函數(shù)及繪制增益函數(shù)曲線圖、編寫LLC容性感性邊界函數(shù)及在增益曲線基礎(chǔ)上繪制曲線圖、編寫LLC輸入阻抗曲線的函數(shù)及繪制阻抗曲線圖、編寫LLC諧振腔的電流電壓函數(shù)及繪制諧振腔電流電壓曲線圖

半橋LLC的原理圖設(shè)計(jì)：LLC前級(jí)電路的設(shè)計(jì)、芯片選型、芯片datasheet講解、芯片外圍電路的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、Vcc電路的設(shè)計(jì)、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)、LLC后級(jí)電路的設(shè)計(jì)、反饋電路的設(shè)計(jì)

半橋LLC的layout設(shè)計(jì)：半橋LLC元器件封裝的選取、功率元器件的布局、關(guān)鍵高頻干擾回路的布局布線、地線、Layout與生產(chǎn)工藝

開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)就是把直流電壓(交流輸入也是先進(jìn)行整流)經(jīng)過高頻開關(guān)進(jìn)行高頻逆變，方便我們使用高頻變壓器或者高頻電感進(jìn)行電壓、電流的變換。經(jīng)過高頻化處理以后，磁性元件就會(huì)變得很小，電容的紋波電流也會(huì)變得很小，所以電源的發(fā)展趨勢(shì)就是集成小型化，現(xiàn)在看到的開關(guān)電源，在體積重量還有成本方面，都全面超越了老式的電源。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步提高，各種電子設(shè)備，對(duì)開關(guān)電源的體積性能有了越來越高的要求，然后人們就開始研究消除或者減小開關(guān)損耗的方法。出現(xiàn)了各種各樣的技術(shù)，比如有源鉗位、準(zhǔn)諧振技術(shù)、移相全橋、諧振開關(guān)電源，但是應(yīng)用最廣泛的還是LLC結(jié)構(gòu)的諧振式開關(guān)電源。

我們把LLC和平常的電路進(jìn)行比較就很容易發(fā)現(xiàn)LLC電路的原理就是利用電抗(阻抗，感抗，容抗)來進(jìn)行分壓，因?yàn)楦锌?，容抗的大小都是頻率f的函數(shù)，所以隨著頻率的變化，感抗、容抗的大小就會(huì)跟隨著變化，勵(lì)磁電感上的交流分壓可以由驅(qū)動(dòng)頻率來進(jìn)行調(diào)整，傳輸?shù)酱渭?jí)經(jīng)過整流，就是我們需要的輸出電壓了。

至于ZVS(零電壓導(dǎo)通)，是利用了交流電路里面電流電壓之間，相位角會(huì)隨著頻率發(fā)生變化這一特性，如果始終保證LLC諧振腔工作在感性區(qū)域，那么我們就始終保證了諧振腔電流滯后于電壓一定的相位角。

LLC最大的好處就是實(shí)現(xiàn)了ZVS(零電壓開通)，在大部分工作頻率上，實(shí)現(xiàn)了ZCS(零電流關(guān)斷)，相較于我們之前所說的Buck、Boost、Forward這些傳統(tǒng)的PWM模式峰值電流管段關(guān)斷損耗低了非常多。

這樣做的好處是：

頻率可以跑的很高，4000W等級(jí)的工業(yè)電源，諧振頻率120K，最高頻率300K，這也是很普通的參數(shù)，但是電源整體體積還是小了不少。頻率高了磁性元器件體積就小了，電解電容也可以用的小一些。

效率高，交叉損耗小了很多，效率自然就提高了，效率高了，散熱片體積也變小很多，所以就可以做到小體積大功率的開關(guān)電源。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器(Resonant Converter)是一種軟開關(guān)電源拓?fù)?，它通過在功率轉(zhuǎn)換階段引入諧振現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度。下面詳細(xì)探討LLC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)

高效率：LLC轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)勢(shì)之一是其能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)，這大大減少了開關(guān)器件的開關(guān)損耗，從而提高了整體效率。

低電磁干擾(EMI)：由于采用了軟開關(guān)技術(shù)，開關(guān)器件的dV/dt和di/dt較低，這有助于減少電磁干擾，使LLC轉(zhuǎn)換器適合對(duì)EMI要求嚴(yán)格的應(yīng)用。

寬輸入電壓范圍：LLC轉(zhuǎn)換器可以在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，這使得它們非常適合于需要應(yīng)對(duì)電壓波動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合。

輸出電壓調(diào)節(jié)能力強(qiáng)：通過改變工作頻率，LLC轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制，即使在負(fù)載變化較大的情況下也能保持穩(wěn)定。

LLC電源的缺點(diǎn)包括：

僅在諧振點(diǎn)附近效率較高：LLC變換器只在諧振點(diǎn)附近效率較高，不適用于寬輸入電壓范圍。

對(duì)輸入輸出變動(dòng)范圍的要求：LLC電源要求輸入輸出變動(dòng)范圍不大，這在一定程度上制約了其在一些應(yīng)用中的使用。

失諧的影響：受失諧影響，MOSFET中可能會(huì)流過直通電流，導(dǎo)致開關(guān)損耗增加。

電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度：相比于簡(jiǎn)單的全橋LLC，半橋LLC的電路設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，可能對(duì)成本和可靠性產(chǎn)生不利影響。

LLC是否適合做恒流輸出?

PWM的控制器輸出電壓可調(diào)節(jié)范圍可以做到很寬，只要供電正常，IC就能做到輸出電壓范圍很寬的電源，這對(duì)于做恒流款電源而言具有很大優(yōu)勢(shì);

LLC是PFM控制方式的，只能通過更改頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化，由增益曲線圖可以知道增益變化范圍相對(duì)很小，要實(shí)現(xiàn)寬電壓范圍的輸出特性不好實(shí)現(xiàn)，輸出電壓越低，工作頻率越高，從而開關(guān)損耗、磁芯損耗都會(huì)加劇。

因此到了一定程度下只能通過限制IC的最高工作頻率而通過跳周期方式來降低增益，這樣就增加了環(huán)路調(diào)節(jié)的難度，跳周期紋波不好控制，性能也不是最優(yōu)，因此LLC不適合太寬范圍的恒流輸出。

滿足ZVS的兩個(gè)必要條件是什么?

ZVS前提就是電壓超前于電流，所以要滿足LLC整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都處于感性區(qū)域，這是最基本的一個(gè)條件，還有一個(gè)條件往往被忽視。

要實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，勵(lì)磁電感峰值電流im必須在死區(qū)時(shí)間內(nèi)讓即將開通開關(guān)管的結(jié)電容放電，直至電量放完，電壓降到零，而已關(guān)斷的開關(guān)管則同時(shí)將其結(jié)電容充電到輸入電壓。

因此，兩個(gè)功率開關(guān)管要實(shí)現(xiàn)ZVS，應(yīng)滿足如下的勵(lì)磁電感峰值電流Ipk與死區(qū)時(shí)間的關(guān)系。