LLC谐振电路工作原理及参数设计

LLC谐振电路工作原理及参数设计Preparedby：xxMobile：xxxxxxxxxxxxEmail：Date：Address：PoweringtheFuture第1章谐振电路简介第2章LLC拓扑原理第3章参数设计计算第4章L6599芯片介绍第5章设计注意事项PoweringtheFuture谐振电路简介谐振现象:含有RLC的无源单口网络在正弦激励作用下,对于某些频率出现端口电压、电流同相位。X=XL-XC=0谐振分类：1、串联谐振2、并联谐振谐振条件：PoweringtheFuture谐振电路简介串联谐振一、谐振条件与谐振频率：谐振条件：谐振频率：或CLXXX01CLLC10LCf210谐振产生方法：1）信号源给定，改变电路参数；2）电路给定，改变信号源频率。PoweringtheFuture谐振电路简介RCL/RC01谐振参数：1、谐振阻抗：谐振时电路的输入阻抗Z0串联谐振电路：Z0=R3、品质因数：0ZQ2、特征阻抗：谐振时的感抗或容抗。串联谐振电路：RL0CLCL001PoweringtheFuture谐振电路简介串联谐振特性1）阻抗最小：Z0=R2)u-i=03)cos=14)电流达到最大值：Im=U/R5)L、C端出现过电压:UL=UC=QU6)相量图（电流与电压同相位）İPoweringtheFuture谐振电路简介串联谐振电路阻抗CLRIUZj1j并联谐振电路的阻抗计算?|j1j|||CLRZPoweringtheFuture第1章谐振电路简介第2章LLC拓扑原理第3章参数设计计算第4章L6599芯片介绍第5章设计注意事项PoweringtheFuture谐振电路拓朴原理谐振变换器之所以得到重视和研究，是因为在谐振时电流或电压周期性过零，利用这一点实现软开关，可以降低开关损耗，提高功率变换器的效率。谐振功率变化器有以下三种：SRC（SeriesResonanceCircuit）、PRC（ParallelResonanceCircuit）、SPRC（Series-ParallelResonanceCircuit，又称LLC）。PoweringtheFutureSRC（串联谐振电路）+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-电路中电感与电容串联，形成一个串联谐振腔。这个谐振腔的阻抗与负载串联，则由于其串联分压作用，增益总是小于1。谐振腔的阻抗与频率有关，在其谐振频率fr下阻抗最小，此时的增益也最大。PoweringtheFutureSRC的直流特性曲线根据电路的直流特性可知：①fsfr时,开关管Q--ZVS；②轻载时，fs要变化很大才能保证输出电压不变;③Vin增大时,fs增大使输出电压保持不变。此时谐振腔的阻抗也增大，则谐振腔内有很高的能量在循环，而并没有把这些能量供给负载，并且使半导体器件的应力增大。因此，串联谐振变换器存在一些不利因素：轻载调整率高、高的谐振能量、高输入电压时较大的关断电流。PoweringtheFuturePRC（并联谐振电路）+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-PoweringtheFuturePRC的直流特性曲线根据其直流特性可知：①fsfr时，实现软开关；②轻载时，fs并不要变化很大来维持输出电压不变；③Vin增大时，fs增大来维持输出电压不变。此时谐振腔内循环的能量依然很大，即使是在轻载的条件下，由于负载与电容并联，仍然有一个比较小的串联阻抗。与SRC相比，PRC优点：在轻载时，频率变化不大即可保证输出电压不变。PRC的缺点：高的谐振能量、高输入电压时关断电流较大会引起较大的关断损耗。PoweringtheFutureSPRC（串并联谐振电路）+-***1Q2QsrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-prC串并联谐振电路有两种形式。LCC形式PoweringtheFutureSPRC（串并联谐振电路）对于LCC电路，存在两个谐振频率：显然，fr2fr1。由直流特性曲线可知：①当fr2fsfr1时，MOSFET工作在ZCS区域，对于MOSFET而言，ZVS模式下开关损耗较ZCS模式要小；②为了满足ZVS，fsfr1，这样低频谐振点没有利用。从这个方案可以看出，可以利用双谐振网络来实现ZVS，如果将LCC的直流特性左右翻转，那么低频谐振点就可以利用上。因此，出现了特性较好的谐振变换器LLC结构。）prsrrrsrrrCCLfCLf//(212121PoweringtheFutureLLC电路拓朴原理+-***1Q2QrCrLpnsnsn1RD2RDfCRinVoutV+-mL1D2DALLC形式PoweringtheFutureLLC电路拓朴原理对于LLC电路，存在两个谐振频率：显然，fr1fr2。由直流特性曲线可知：①当fsfr2时，MOSFET工作在ZVS区域，对于MOSFET而言，ZVS模式下开关损耗较ZCS模式要小；②在轻载时，LLC谐振变换器的开关频率变化很小，即使在空载时它也具备零电压开关能力。rmrrrrrCLLfCLf)212121（PoweringtheFutureLLC电路拓朴原理LLC变换器的模态分析根据LLC谐振变换器的直流增益特性可以将其分为三个工作区域。通常将LLC谐振变换器设计工作在区域1和2，工作区域3是ZCS工作区。对于MOSFET而言，ZVS模式的开关损耗比ZCS模式的开关损耗要小。对于谐振电路而言，要使其呈现感性状态，必须使外加激励的频率高于谐振频率。因此对于LLC，其最小开关频率不能低于fr2.从开关频率与谐振频率的关系来看，LLC的工作状态分为fs=fr1,fsfr1,fr2fsfr1三种工作状态。PoweringtheFutureVinVoutQ1Q2LsLmCrn:1:1D1D2Coss1Coss2Coutfs=fr1(Phase1/6)Q1ONQ2OFFQ1OFFQ2ONQ1OFFQ2ON1/6设定初始条件为:谐振回路中电流到零(在Q2导通时间内)此时间内Q1OFF,Q2ON,D2ON变压器向副边传递能量因fs=fr1,此阶段结束时刻，谐振电流与激磁电流刚好相等变压器副边无电流，二极管D2零电流关断，实现ZCSQ2也关断PoweringtheFutureVinVoutQ1Q2LsLmCrn:1:1D1D2Coss1Coss2Coutfs=fr1(Phase2/6)2/6Q1,Q2,D1,D2OFF(死区时间)在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右到左的,而且没有回零在Q2关断时刻,由于电感中的电流不能突变,将继续向Coss2中充电此时副边能量由Cout提供,因死区时间很短,副边不需要电感当VCoss2≥Vin时,Q1的体二极管导通Q1ONQ2OFFQ1OFFQ2ONQ1OFFQ2ONPoweringtheFutureVinVoutQ1Q2LsLmCrn:1:1D1D2Coss1Coss2Coutfs=fr1(Phase3/6)3/6在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右到左的,而且没有回零在Q1体二极管导通时刻,Q1ON,实现ZVS开通当Q1导通后，谐振电流通过Q1反向流通，谐振电流大于激磁电流，副边二极管D1导通向负载提供能量同时Lm进行反向励磁当ILs=0时,此阶段结束Q1ONQ2OFFQ1OFFQ2ONQ1OFFQ2ONPoweringtheFuturefs=fr1(Phase4/6)4/6在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右向左刚好回零此时Q1ON,Vin通过变压器向副边传递能量谐振电流反向为从左向右,逐渐变大因fs=fr1,谐振电流与激磁电流刚好相等,Q1关断,D1ZCS关断,此阶段结束Q1ONQ2OFFQ1OFFQ2ONQ1OFFQ2ONVinVoutQ1Q2LsLmCrn:1:1D1D2Coss1Coss2CoutPoweringtheFutureVinVoutQ1Q2LsLmCrn:1:1D1D2Coss1Coss2Coutfs=fr1(Phase5/6)5/6Q1ONQ2OFFQ1OFFQ2ONQ1OFFQ2ONQ1,Q2,D1,D2OFF(死区时间)在上个阶段结束时,Cr中的电流是从左到右的,而且没有回零在Q1关断时刻,由于电感中的电流不能突变,Vin向Coss1充电,此时Coss2放电此时副边能量由Cout提供,因死区时间很短,副边不需要电感当VCoss2=0时,Q2的体二极管导通PoweringtheFutureVinVoutQ1Q2LsLmCrn:1:1D1D2Coss1Coss2Coutfs=fr1(Phase6/6)6/6Q1ONQ2OFFQ1OFFQ2ONQ1OFFQ2ON在上个阶段结束时,Cr中的电流是从左到右的,而且没有回零在Q2体二极管导通时刻,Q2ON,实现ZVS开通当Q2导通后，谐振电流通过Q2反向流通，谐振电流大于激磁电流，副边二极管D2导通向负载提供能量同时Lm进行正向励磁当ILs=0时,此阶段结束当fs=fr1时，从上面的分析及波形可以看到，原边电流波形为正弦波，Q1,Q2都是ZVS,副边二极管D1,D2都是ZCS。Lm没有参与谐振。PoweringtheFutureVinVoutQ1Q2LsLmCrn:1:1D1D2Coss1Coss2Coutfsfr1(Phase1/6)1/6设定初始条件为:谐振回路中电流到零(在Q2导通时间内)此时间内Q1OFF,Q2ON,D2ON变压器向副边传递能量因fsfr1,此阶段结束时刻，谐振电流激磁电流Q2关断Q2关断时刻,二极管D2电流没到零Q1ONQ2OFFQ1OFFQ2ONQ1OFFQ2ONPoweringtheFutureVinVoutQ1Q2LsLmCrn:1:1D1D2Coss1Coss2Coutfsfr1(Phase2/6)2/6Q1ONQ2OFFQ1OFFQ2ONQ1OFFQ2ONQ1,Q2,D1OFF(死区时间)在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右到左的,而且没有回零在Q2关断时刻,由于电感中的电流不能突变,将继续向Coss2中充电当VCoss2≥Vin时,Q1的体二极管导通由于fsfr1,此时谐振电流大于励磁电流。因此谐振电流迅速减小到励磁电流。在谐振电流减小到励磁电流前，变压器副边仍有电流流动，变压器原边仍被箝位，因此谐振电流的下降斜率为（Vc-n.Vo)/Ls,(Vc为谐振电容上的电压)。副边整流二极管D2上的电流逐渐减小，当谐振电流等于励磁电流的时候，D2的电流减小到0，实现ZCSPoweringtheFutureVinVoutQ1Q2LsLpCrn:1:1D1D2Coss1Coss2Coutfsfr1(Phase3/6)3/6Q1ONQ2OFFQ1OFFQ2ONQ1OFFQ2ON在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右到左的,而且没有回零在Q1体二极管导通时刻,Q1ON,实现ZVS开通当Q1导通后，谐振电流通过Q1反向流通，谐振电流大于激磁电流，副边二极管D1导通向负载提供能量同时Lm进行反向励磁当ILs=0时,此阶段结束PoweringtheFutureVinVoutQ1Q2LsLmCrn:1:1D1D2Coss1Coss2Coutfsfr1(Phase4/6)4/6Q1ONQ2OFFQ1OFFQ2ONQ1OFFQ2ON在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右向左刚好回零此时Q1ON,Vin通过变压器向副边传递能量谐振电流反向为从左向右,逐渐变大因fsfr1,此阶段结束时刻，谐振电流激磁电流Q1关断Q1关断时刻,二极管D2电流没到零PoweringtheFutureVinVoutQ1Q2LsLmCrn:1:1D1D2Coss1Coss2Coutfsfr1(Phase5/6)5/6Q1O