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電路詳解:電源諧振半橋轉(zhuǎn)換電路

發(fā)布時(shí)間:2015-08-12 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】由于有更強(qiáng)的輸出調(diào)節(jié)功能、更小的循環(huán)電流和更低的電路成本。使得LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(LLC-SRC)格外引人矚目,為什么這么說呢?看電路詳解!

和傳統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)電源轉(zhuǎn)換器不同的是,諧振轉(zhuǎn)換器通過頻率調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出電壓。因此,諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法也與PWM轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法有所差異。在各種類型的諧振轉(zhuǎn)換器中,圖1的LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(LLC-SRC)格外引人矚目,因?yàn)樗懈鼜?qiáng)的輸出調(diào)節(jié)功能、更小的循環(huán)電流和更低的電路成本。
具有交流(AC)輸入/輸出電壓的LLC-SRC
圖1:具有交流(AC)輸入/輸出電壓的LLC-SRC
  
串聯(lián)諧振特性允許直流(DC)/DC LLC-SRC中的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(如圖2所示)擁有很寬范圍的零電壓開關(guān)(ZVS);因此,LLC-SRC能在前端電源應(yīng)用中輕松實(shí)現(xiàn)超過94%的效率,并能在高開關(guān)頻率下運(yùn)行。
LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器
圖2:LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器
  
和PWM轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)過程相似,當(dāng)設(shè)計(jì)LLC-SRC時(shí),第一個(gè)步驟是選擇滿負(fù)載情況下所需的工作頻率。剩下的步驟就不同了,因?yàn)橹C振轉(zhuǎn)換器里沒有占空比因數(shù)。在LLC-SRC中占空比保持不變,是50%,非常理想。圖3展示了LLC-SRC的設(shè)計(jì)流程圖(來自TI電源設(shè)計(jì)研討會(huì)主題“設(shè)計(jì) LLC諧振半橋電源轉(zhuǎn)換器”)。
:LLC諧振半橋變換器設(shè)計(jì)流程圖
:LLC諧振半橋變換器設(shè)計(jì)流程圖
圖3:LLC諧振半橋變換器設(shè)計(jì)流程圖
  
Mg/Qe和Mg/fn圖表中的增益曲線是由圖1所示的LLC諧振槽路(它也是LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器的線性化電路)衍生而來的。
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圖3提供了LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單電路參數(shù)選擇過程。通過檢查增益曲線上的fn_min、fn_max位置,您就能設(shè)計(jì)出在所有輸入條件下開關(guān)網(wǎng)絡(luò)上均具有ZVS的高效LLC諧振半橋變換器。
  
當(dāng)設(shè)計(jì)LLC諧振半橋變換器時(shí),請(qǐng)謹(jǐn)記:
  
任何時(shí)候,在Mg/fn圖表中fn_min都需要高于增益曲線的脊線。這是為確保金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)能保持ZVS狀態(tài)。LLC-SRC的效率只能在一個(gè)操作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)fsw= fo時(shí),串聯(lián)Lr和Cr變成零阻抗?fàn)顟B(tài)(圖4);該轉(zhuǎn)換器在那個(gè)點(diǎn)具有最高的效率。您需要決定自己想優(yōu)化的線路/負(fù)載條件,并確保您的開關(guān)頻率在那樣的條件下是諧振頻率。
當(dāng)fsw=fo時(shí)具有AC輸入/輸出電壓的LLC-SRC
圖4:當(dāng)fsw=fo時(shí)具有AC輸入/輸出電壓的LLC-SRC
  
等離子和液晶電視如今已經(jīng)走入了千家萬戶,這兩種電器的開關(guān)電源設(shè)計(jì)比較特殊,只能采用有源或者無源PFC模式,并且需要能夠長(zhǎng)時(shí)間在無散熱通風(fēng)的環(huán)境下工作。這就要求電源不僅要擁有高功率密度和平滑的電磁干擾信號(hào),還要盡量少的使用元器件。而在這些方面,半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器擁有諸多的優(yōu)勢(shì)。
  
半橋LL諧振電容和諧振電感的配置
  
單諧振電容和分體諧振電容都存在于半橋轉(zhuǎn)換器當(dāng)中。對(duì)于單諧振電容配置而言,它的輸入電流紋波和均方根(RMS)值較高,而且流經(jīng)諧振電容的均方根電流較大。這種方案需要耐高壓(600~1,500V)的諧振電容。不過,這種方案也存在尺寸小、布線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
半橋LLC轉(zhuǎn)換器的兩種不同配置
(a)單諧振電容;(b)分體諧振電容。
  
圖1:半橋LLC轉(zhuǎn)換器的兩種不同配置
  
分體諧振電容相較于單個(gè)諧振電容而言,其輸入電流紋波和均方根值較小。諧振電容僅處理一半的均方根電流,且所用電容的電容量?jī)H為單諧振電容的一半。當(dāng)利用鉗位二極管(D3和D4)進(jìn)行簡(jiǎn)單、廉價(jià)的過載保護(hù)時(shí),這種方案中,諧振電容可以采用450V較低額定電壓工作。顧名思義,半橋LLC轉(zhuǎn)換器中包含2個(gè)電感(勵(lì)磁電感Lm和串聯(lián)的諧振電感Ls)。根據(jù)諧振電感位置的不同,諧振回路也包括兩種不同的配置,一種為分立解決方案,另一種為集成解決方案。這兩種解決方案各有其優(yōu)缺點(diǎn),采用這兩種方案的LLC的工作方式也有輕微差別。
  
將諧振電感安裝在變壓器外面是有目地的。其能夠幫助設(shè)計(jì)者提高設(shè)計(jì)的靈活性,令設(shè)計(jì)人員可以靈活設(shè)置Ls和Lm的值;此外,EMI幅射也更低。不過,這種解決方案的缺點(diǎn)在于,變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組間的絕緣變得復(fù)雜,并且繞組的冷卻條件變差,并需要組裝更多元件。
諧振儲(chǔ)能元件的兩種不同配置
(a)分立解決方案;(b)集成解決方案。
  
圖2:諧振儲(chǔ)能元件的兩種不同配置
  
在另一種集成的解決方案中,變壓器的漏電感被用作諧振電感(LLK=LS)。這種解決方案只需1個(gè)磁性元件,而且會(huì)使得開關(guān)電源的尺寸更小。此外,變壓器繞組的冷卻條件更好,且初級(jí)和次級(jí)繞組之間可以方便地實(shí)現(xiàn)絕緣。不過,這種解決方案的靈活性相對(duì)較差(可用的LS電感范圍有限),且其EMI幅射更強(qiáng),而初級(jí)和次級(jí)繞組之間存在較強(qiáng)的鄰近效應(yīng)。半橋LLC轉(zhuǎn)換器建模和增益特性
  
編輯點(diǎn)評(píng):通過對(duì)實(shí)例的講解,介紹了半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的部分要點(diǎn)和技巧,如配置、工作狀態(tài)、增益特性等等,還對(duì)一些特定的參數(shù)進(jìn)行了確定,希望本篇文章能夠幫助大家增進(jìn)對(duì)半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的了解。
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