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1、 LLC 为何要工作在感性区域?* W! R7 M8 s, Z$ {
任何一个网络都是呈现感性、容性和纯阻性三种状态,对于 LLC 网络而言同样存在以上三种状态,根据输入及负载变化由容性‐阻性‐感性而变化;如下图所示为 LLC 等效模型。
+ ^* f. z0 `, O. @ 工作在纯阻性区域是我们理想的工作状态,因为阻性网络的品质因素最高,网络特性最好;
6 [* c% ^: J( L 工作在容性区域的话电流超前于电压,对于前级开关管而言容易实现 ZCS 关断,这个区域比较适合 IGBT;工作在感性区域的话电压超前于电流,对于前级开关管而言容易实现 ZVS开通,这个区域比较适合 MOSFET;" J. ^- ?# p& B/ m5 i# H
4 ~! z/ B: R: T 对于中小功率电源而言普遍使用 MOSFET,因此常规 LLC 拓扑开关电源选择工作于感性区域。7 w# q/ V( x' d0 u. K& K
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2、 ZVS1 和 ZVS2 各有什么优缺点,如何选择?0 C% }+ u" b8 e! F9 k
LLC 网络存在两个电感一个电容, 也就是说存在两个谐振点, 一个是 Lr 和 Cr 的谐振点,另一个谐振点由 Lm, Cr 以及负载条件决定。负载加重,谐振频率将会升高。如下图,# F7 {* g, R2 k" P# M3 @2 M
LLC 增益曲线图 在整个感性区域都能实现 ZVS,在 ZVS1 区不能实现次级整流管的 ZCS 关断,存在反向恢复问题;在 ZVS2 区可以实现次级整流管的 ZCS 关断,不存在反向恢复问题。因此对于选择网络工作于 ZVS1 还是 ZVS2 区域有不同看法。从理论上来讲工作于 ZVS2区域效率高于 ZVS1 区;总之越接近于谐振点(增益为 1)的工作点效率越高,同是兼顾短路性能等问题,建议工作点选择略大于谐振点(基于 LLC 短路问题靠增加频率来提高网络的等效阻抗来保护这一特性)。- z* T/ A. {" W) b1 J% P
' `& z# s$ f9 T 3、 LLC 初级 MOSFET 是 ZVS 关断还是 ZCS 关断?
/ y. Z6 @) o" H \' f/ y LLC 工作在感性区域,因此开通是 ZVS,但关断即不是 ZVS 也不是 ZCS,是硬开关的,关断损耗不可避免,但对于 MOSFET 而言,开通损耗相对关断损耗大很多,对于 LLC 的 ZVS 而言是指开通时刻的 ZVS,因此可以大大降低开关损耗。
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4、为何计算 LLC 匝比的时候要用母线电压的一半?
y# y8 _; r9 p( W 我们计算反激或者正激电路时都是使用母线电压来设计匝比, 但是 LLC 为何只使用母线电压的一半来计算匝比?在 LLC 上管开通的半个周期内母线给 LLC 网络输入能量,这个能量一部分直接传递给输出,另一部分储存在网络内,在下管开通的半个周期内,依靠谐振电容和谐振电感输出能量。所以只有上半个周期母线给网络输入了能量, 即时间的利用率是一半,等效于输入电压的利用率为 1/2。
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5、 LLC 分体谐振电容有什么优缺点?
2 ^* t; }, A* T$ k) Z% h LLC 半桥谐振电路中,根据这个谐振电容的不同联结方式,典型 LLC 谐振电路有两种连接方式,不同之处在于 LLC 谐振腔的连接,左图采用单谐振电容(Cr),其输入电流纹波和电流有效值较高,但布线简单,成本相对较低;右图采用分体谐振电容(C1, C2),其输入电流纹波和电流有效值较低, C1 和 C2 上分别只流过一半的有效值电流,且电容量仅为左图单谐振电容的一半。比较而言,分体谐振优势不大。
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6、 LLC 独立谐振电感和集成谐振电感各有什么优缺点?+ ~" W3 Y8 v7 P; J
先说说集成谐振电感的方式,这种方式是利用变压器初级漏感来做谐振电感的,优点是体积小,成本低,缺点是漏感很难控制,和你的变压器绕法,初级匝数存在着紧密的联系,因此谐振参数不好调节,性能难做到最优;独立谐振电感的方式是通过外置一个谐振电感, 同时控制主变压器的漏感在很小的范围内,这样做的优点是容易调节谐振电感与励磁电感低比例,优化起来更灵活,容易调节到一个理想状态,缺点是增加了一个谐振电感增加体积,布线难度和成本;因此一般功率较小的电源都更愿意使用集成谐振电感,成本相对较低,性能要求不是很苛刻;功率大的更愿意使用外置谐振电感,性能容易优化。
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+ O( e: _+ y3 Q6 G) B$ F 7、 LLC 的开关管能否直接并联?
& \2 t- U' z/ K$ s 弥勒电容(Cgd)对于 MOSFET 而言是寄生于栅极和漏极之间的电容,对于硬开关电路而言,驱动电流对 Cgs 和 Cgd 充电,并且开始开通,而在开通过程中, Vds 电压下降,所以Cgd 开始放电,故此时需较大的驱动电流要对 Cgd 充电,这会导致驱动电压波形出现一个短暂的平台,所谓的米勒平台。关断的时候, DS 电压急剧上升, DG 电容会流过电流对 GS 电容充电,引起二次导通。要消除开通时刻的弥勒效应,在开关管即将开通的时刻 DS 电压为零,即 ZVS。
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! t% w% j# j" Y0 D8 C) p9 c' m6 { 对于 LLC 而言,开关管是 ZVS 开通的,因此对于功率稍大的可以直接并联开关管,不存在弥勒效应或者说将弥勒效应降到最低。& o4 z9 a; m+ a
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8、 LLC 的谐振电容和输出功率有什么关系?3 b3 I2 p, B# S4 d, N
这里使用一个公式说明吧,
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) _( m* s& R( I4 d- y 很显然,功率越大需要的谐振电容容量越大。% P8 e9 f9 a1 U/ i: h1 O
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9、 LLC 是否适合做恒流输出?
, o" R. ^ `$ C; n9 x PWM 的控制器输出电压可调节范围可以做到很宽,只要供电正常,IC 就能做到输出电压范围很宽的电源,这对于做恒流款电源而言具有很大优势; LLC 是 PFM 控制方式的,只能通过更改频率实现输出电压的变化,由增益曲线图可以知道增益变化范围相对很小,要实现宽电压范围的输出特性不好实现,输出电压越低,工作频率越高,从而开关损耗,磁芯损耗都会加剧,因此到了一定程度下只能通过限制 IC 的最高工作频率而通过跳周期方式来降低增益,这样就增加了环路调节的难度,跳周期纹波不好控制,性能也不是最优,因此 LLC 不适合太宽范围的恒流输出。/ e2 F9 ]- W- A `& @$ d7 g
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10、满足 ZVS 的两个必要条件是什么?
3 A& B8 n9 h/ s6 B& I9 O ZVS前提就是电压超前于电流,所以要满足LLC整个负载范围内都处于感性区域,这个最基本的一个条件,还有一个条件往往被忽视。
$ [$ ?+ [& S Q: G, w6 L6 g% j' z 要实现开关管的ZVS, 励磁电感峰值电流im 必须在死区时间内让即将开通开关管的结电容放电, 直至电量放完, 电压降到零。而已关断的开关管则同时将其结电容充电到输入电压。因此, 两个功率开关管要实现ZVS, 应满足如下的励磁电感峰值电流Ipk 与死区时间的关系:
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其中, Vin 为输入总线电压, Cj 为MOSFET 的结电容(此处忽略电路布局的杂散电容), tdead为死区时间) A6 l5 J+ h7 I9 O5 Z! E
当电路工作于谐振频率,谐振网络电流为如图所示的正弦波。其中im 为励磁电流。在每半个开关周期结束时,励磁电流达到最大值,与谐振网络电流ir 相等。) R2 G& D8 A9 h# h' @; N# V
1 z* |: S+ X$ ?0 i4 A 励磁电感峰值电流可以得到:
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+ M5 y4 w6 k4 b0 l3 k Z0 u 其中Vo 为输出电压, T 为开关周期, Lm 为励磁电感。到Lm 的值应满足:$ k a# a; \: k2 t% m2 u5 y4 }7 V
( ]) |4 s3 e' p0 y 由不等式得到的最大的励磁电感Lm 可以保证开关管的ZVS,然而,小的Lm将增大MOSFET的开关损耗。由于这个被动Lm负载,可以保证在任何负载情况下都能工作在零电压开关状态下。
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