半桥LLC转换器建模和增益特性 LLC转换器可以通过一阶基波近似来描述。但只是近似,精度有限。而在Fs频率附近精度达到最高。 等效电路的传递函数为: 这其中,Z1和Z2与频率有关,由此可知LLC转换器的行为特性类似于与频率有关的分频器,负载越高,励磁电感Lm所受到的交流电阻Rac产生的钳位作用就越大。这样一来,LLC储能电路的谐振频率就在Fs和Fmin之间变化。在使用基波近似时,实际的负载电阻必须修改,因为实际的谐振回路是由方波电压驱动的。 相应地,转换器的品质因数为: 串联谐振频率Fs和最小谐振频率Fmin分别为: 图3:标准化增益特性(区域1和区域2为ZVS工作区域,区域3为ZCS工作区域)。 LLC转换器所需要的工作区域是增益曲线的右侧区域(其中的负斜率意味着初级MOSFET工作在零电压开关ZVS模式下)。当LLC转换器工作在fs=1(对于分立谐振回路解决方案而言)的状态下时,它的增益由变压器的匝数比来给定。从效率和EMI的角度来讲,这个工作点最具吸引力,因为正弦初级电流、MOSFET和次级二极管都得到优化利用。该工作点只能在特定的工作电压和负载条件下达到(通常是在满载和额定Vbulk电压时)。 增益特性曲线的波形及所需的工作频率范围由如下参数来确定:Lm/Ls比(即k)、谐振回路的特征阻抗、负载值和变压器的匝数比。可以使用PSpice、Icap4等任意仿真软件来进行基波近似和AC仿真。 图5:分立(a)和集成(b)谐振回路解决方案的仿真原理图。 对于LLC谐振转换器而言,满载时品质因数Q和Lm/Ls的恰当选择是其设计的关键。这方面的选择将影响到如下转换器特性: 输出电压稳压所需的工作频率范围; 线路和负载稳压范围; 谐振回路中循环能量的大小; 转换器的效率; 在设计当中,如果想要优化在满载状态时的Q和K,就要确定如下几个因素:效率、线路、负载稳压范围。品质因数Q直接取决于负载,它是由满载条件下的谐振电感Ls和谐振电容CS确定的。Q因数越高,就导致工作频率范围Fop越大。Q值较高及给定负载时,特征阻抗就必须较低,因为低Q会导致稳压能力下降,且Q值很低的情况下LLC增益特性会退化到SRC。 而在k=Lm/Ls方面,它决定了励磁电感中存储多少能量。k值越高,转换器的励磁电流和增益也就越低;且k因数越大,所需的稳压频率范围也就越大。 在实践中,Ls(如集成变压器解决方案的漏电感)只能在有限的范围内取值,而且是由变压器的构造(针对所需的功率等级)和匝数比决定。然后,Q因数的计算由所需的额定工作频率fs确定。这之后,k因数也必须计算出来,以确保输出电压稳压(带有线路和负载变化)所需的增益。而在设定k因数时,可以让转换器在轻载时无法维持稳压——可以方便地使用跳周期模式来降低空载功耗。 通过对实例的讲解,本文介绍了半桥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。不仅如此,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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