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半橋LLC效率低下問題腫么辦?整改方法朝這看

發(fā)布時間:2015-03-12 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】本篇文章對LLC電路效率較低的問題進(jìn)行了較為實際的,且全方位的分析,并且給出了同樣全面地整改方法。如果大家也在設(shè)計過程當(dāng)中遇到了同樣的問題,不如仔細(xì)閱讀以下本篇文章,或許就能找到相應(yīng)的解決方法。
 
LLC電路擁有開關(guān)損耗小的特點,適用于高頻和高功率的設(shè)計。但很多人會遇到自己設(shè)計出的LLC電路功率偏低的問題,導(dǎo)致LLC電路功率低下的問題多種多樣,本文將以一個半橋諧振LLC為例,全面的觀察功率低下的原因,并試著給出相應(yīng)的解決辦法。
 
在這個例子當(dāng)中,LLC和PFC基本都在運行,但效率僅為88%,經(jīng)過多次試驗得出如下一組參數(shù),能獲得87-88%的效率,便無法在繼續(xù)提高。下面是諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)和波形。
 
PFC鐵硅鋁磁環(huán)AS130,外徑33mm,磁導(dǎo)率60,電感量330uH,75圈0.75MM銅線。
 
PFC二極管:MUR460;
 
PFCMOSFET:7N60;
 
PFC輸出電壓395V,能正常運行;
 
負(fù)載:輸出24V,6A146W;
 
LLC級諧振網(wǎng)絡(luò):
 
諧振電感:Ls175uH;
 
諧振電容:Cs,15nF;
 
勵磁電感:Lm,850uH;
 
M=Lm/Ls=5;
 
Q=0.5;
 
Fr=100KHZ;
 
磁芯:EER3542/Np44/5/5變壓器匝比8.5,初級3股0.4,次級6股0.4。
 
開關(guān):7N60
 
二極管20/150肖特基(沒有特意匹配適合的功率器件,經(jīng)過計算二極管用60V就可以了。)
 
滿載150瓦開關(guān)頻率82K,略低于諧振頻率,波形如圖1所示,看起來算是正常。
波形如圖
圖1
 
黃色為半橋中點
 
藍(lán)色為用電流互感器測試到的諧振網(wǎng)絡(luò)的電流波。
 
下面就針對效率低下的問題,找出了幾個思考點,試著從中找出效率低下的原因。
 
思考1
 
因為工作在低于諧振頻率時,也是ZVS狀態(tài),而且次級能ZCS。所以也是比較有吸引力。但是初級MOSFET關(guān)斷電流為勵磁電感的最大電流,所以較低的勵磁電感會造成MOSFET關(guān)閉耗損加大。在第一次的參數(shù)中初級勵磁電感只有550uH,針對這點重新計算了諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù),將勵磁電感提高到了850uH,但是問題依然是存在。
 
相比550uH的勵磁電感而言但是效率還是有一點提升的,至少在空載時看到的勵磁電感電流的峰值是下降了。
勵磁電感電流的峰值是下降
圖2
[page]

思考2:
 
次級二極管在初級的諧振網(wǎng)絡(luò)電流等于勵磁電感的電流后停止傳遞,自然阻斷ZCS。但是在滿載時候振蕩嚴(yán)重,這一現(xiàn)象是否會惡化效率,還是說并無影響?
 
滿載150瓦,次級二極管電壓波形,沒有測試電流波形。
沒有測試電流波形
圖3
 
思考3:
 
因為考慮的過載保護(hù)使用了二極管鉗位和兩個諧振電容的方案,不知這樣是否對效率存在影響。
 
針對這幾點思考,下面給出了相應(yīng)的修改意見。
 
建議1
 
增大點工作頻率,或者說測試下實際諧振電感的感值和諧振電容容值,計算諧振頻率,將開關(guān)頻率設(shè)的略大于諧振頻率比較好,因為由于死區(qū)的原因會導(dǎo)致等效的開關(guān)頻率減小。
 
建議2
 
在滿足增益的條件下,在重載時開關(guān)頻率不要過低,因為會導(dǎo)致在重載時副邊的漏感和原邊的節(jié)電容進(jìn)行諧振。
 
建議3
 
整機(jī)效率偏低,需要首先將PFC和DCDC部分分開測試,觀察是由哪部分引起效率偏低的。單純?nèi)ピ龃髣畲烹姼?,雖然是減小了勵磁電流,但是對實現(xiàn)ZVS條件不利,為了實現(xiàn)ZVS就需要更長的死區(qū)來彌補(bǔ)了。效率不一定會有提升。
 
建議4
 
如果是PFC部分效率因為功率比較小,建議采用CRM或者DCM模式,如果空間不是問題,可以采用鐵氧體來提升效率。
 
效率與很多因素有關(guān)系,沒有一個絕對的參考值。在半導(dǎo)體器件選型的基礎(chǔ)上通過修改諧振元件的參數(shù)盡量去優(yōu)化效率就可以了。
 
Q值可以算出來,在波形上也可以看出來。次級零流關(guān)斷后勵磁電流還在上升,就是諧振電容容量偏大了。
 
或者可以先把次級繞組的截面積加大,再觀察一下效率。
 
進(jìn)一步修改
 
采用了上述的建議之后,再次進(jìn)行試驗。這次滿載30分鐘測試得到的效率,在89.6%,與上次的參數(shù)相比效率提高了1%以上。下面是這次的各種參數(shù):
 
Vacin=220V
 
Vpfcin=396V
 
Vo=24V
 
IO=6A
 
CORE:EER3542/PC40
 
Ls=173uH
 
M=5
 
Lm=850uH
 
Cs=14nF
 
Fs=103KHz
 
Gnor=1.118
 
Gmax=1.165
 
Gpk=Gmax*1.1=1.28
 
N=9
 
Qe=0.52
[page]

進(jìn)一步修改
圖4
 
從參數(shù)的思考:
 
電感量的加大,減弱了勵磁電流的的幅度,減少了初級MOSFET的關(guān)斷耗損。
 
初級匝數(shù)的減低,從44減低到36。
 
次級電流密度加大從6跟0.4加大到8跟0.4。
 
峰值增益沒有考慮最低輸入電壓360V,而是從380V開始計算,因為需要的最大增益(分壓網(wǎng)絡(luò)的分壓比)需要的較小,只需要1.16,只考慮10%的余量(實際增益到峰值),滿足輸出電壓所需要的網(wǎng)絡(luò)分壓比只需要1.28。根據(jù)Q值表選擇到0.52。
 
然后得到諧振網(wǎng)絡(luò)的元件值。由于有較大的諧振電感所以需要初級和次級之間的物理距離加大到6-8mm,才能保證170uH的漏感。通過控制初級和次級之間的物理距離能得到合適的漏感量。
 
E開關(guān)頻率依然低于的預(yù)計諧振頻率,應(yīng)該要把開關(guān)頻率提高到諧振頻率附近。(不足之處開關(guān)頻率依然低于諧振頻率太多)
 
將初級的36圈,降低到34圈,匝比為8.5。但是由于初級匝數(shù)的降低漏感也發(fā)生了變化,于是需要對發(fā)生變化的漏感Ls=155uH,重新計算了諧振網(wǎng)絡(luò)的值,Cs=12nF諧振頻率接近115KHZ。勵磁電感為750uH。
 
當(dāng)調(diào)整好參數(shù)滿載時,確實發(fā)現(xiàn):通過減低匝比來降低滿載時諧振網(wǎng)絡(luò)的增益值,確實而有效的提升了開關(guān)頻率。滿載時的開關(guān)頻率為109K,諧振頻率為115K,已經(jīng)比較接近。觀察電流波形,也有比較好的效果。如圖5所示。
電流波形
圖5
 
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