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LLCResonantConverterDesign.pdf

LLCResonantConverterDesign.pdf

上传者: 银色的眼睛 2013-12-08 评分1 评论0 下载0 收藏10 阅读量652 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《LLCResonantConverterDesignpdf》,可适用于硬件技术领域,主题内容包含wwwfairchildsemicomLLC谐振转换器的设计引言ƒ轻薄短小是未来电源的一个发展趋势这就要求我们来提高MOS管开关频率来减小磁性元件&符等。

www.fairchildsemi.comLLC谐振转换器的设计21.引言ƒ轻薄短小是未来电源的一个发展趋势,这就要求我们来提高MOS管开关频率来减小磁性元件&电容器的体积。ƒ但是,开关管的切换损耗是高频工作的一个制约因素。容性功耗反向恢复功耗电压和电流的交迭高频工作31.引言ƒ谐振变换器:按正弦波方式工作,开关管容易实现软开关(ZVS).9在开关开启之前,其体二极管先导通,开关上的电压降为0(ZVS)•去除V和I之间的交迭区域•消除容性功耗(P=1/2cu^2f)ƒ串联谐振变换器/并联谐振变换器41.引言串联谐振(SR)变换器---分压器+VO-RoQ1Q2n:1IpLrLmCrIds2VdVinresonantnetworkƒ谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)串联ƒ谐振电容和负载串联9谐振网络与负载作为一个分压器ÆDC增益通常小于1(增大增益出现在谐振频率)谐振网络LrCrRacVdFVRIF51.引言串联谐振(SR)变换器---变频控制LrCrRacVdFVRIF9通过改变驱动电压(Vd)的频率,改变谐振网络阻抗9Vr=Vin*r/(r+wL+1/wc)61.引言串联谐振(SR)变换器ƒ优点9通过ZVS降低开关功耗和EMIÆ提高效率9降低高频工作中磁性元件的尺寸ƒ缺点9能够在负载和输入变化不大的情况下优化某个工作点的性能9不能在无负载条件下调节输出--负载变化太大71.引言ƒ谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)串联ƒ谐振电容和负载并联9通过改变驱动电压(Vd)的频率,改变谐振网络阻抗+VO-RoQ1Q2n:1IpLlkpCrIds2VdVinresonantnetwork并联谐振(PR)变换器谐振网络81.引言ƒ优点9无负载情况下调节输出是没问题的9连续整流电流(电感输出):适合高输出电流应用场合ƒ缺点9初级电流几乎与负载无关:即使在无负载情况下,谐振网络内存在很大的循环电流,并且随输入电压增加而增加并联谐振(PR)变换器91.引言ƒ什么是LLC谐振变换器?9拓扑看起来和传统的LC串联谐振变换器相同9变压器的激磁电感(Lm)很小,并且和谐振工作有关+VO-RoQ1Q2n:1IpLrLmCrIds2VdImIDVinresonantnetworkIo+VO-RoQ1Q2n:1IpLrLmCrIds2VdVinresonantnetworkLC串联谐振变换器LLC谐振变换器谐振网络谐振网络101.引言LCresonantconverter:Lmisassumedtobeverylarge+VO-RoQ1Q2n:1IpLrLmCrIds2VdVinresonantnetwork+VO-RoQ1Q2n:1IpLrLmCrIds2VdImIDVinresonantnetworkIo//macacjLRRωLLCresonantconverter:Lmisnotassumedtobeverylarge//macacjLRRωLmLrCrRacVdFVRIFLrCrRacVdFVRIFIpIds2Vd(Vds2)Vgs2ImVinIDVgs1IpIds2Vd(Vds2)Vgs2VinIDVgs1111.引言LLC电压增益不同于LC串联谐振变化器LCresonantconverter:LmisassumedtobeverylargeLLCresonantConverter0.60.81.01.21.41.61.82.010,000100,0001,000,000freq(Hz)GainGain(Fullload)Gain(75%load)Gain(50%load)Gain(25%load)Gain(10%load)LCresonantconverter00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.00E+041.00E+051.00E+06freq(Hz)GainGain(Fullload)Gain(75%load)Gain(50%load)Gain(20%load)+VO-RoQ1Q2n:1IpLrLmCrIds2VdVinresonantnetwork+VO-RoQ1Q2n:1IpLrLmCrIds2VdImIDVinresonantnetworkIo//macacjLRRωLLCresonantconverter:Lmisnotassumedtobeverylarge//macacjLRRωLmLrCrRacVdFVRIFLrCrRacVdFVRIF121.引言ƒLLC谐振变换器特点:-通过ZVS降低开关功耗:提高效率-宽负载范围下频率变化范围小-零电压转换(即使在空载的情况下)-特别地,使用集成式变压器代替分立磁性元件131.引言ƒLLC谐振变换器中的集成式变压器9两个磁性元件被集中到一个单独的磁环中(使用初级漏电感作为谐振电感)9节省一个磁性元件(Lr)9漏电感不仅存在于初级,还存在于次级9需要考虑次级的漏电感集成式变压器+VO-RoQ1Q2n:1LrLmCrIds2VdIDVinIo+VO-RoQ1Q2n:1IpLlkpLmCrIds2VdLlksImIDVinIntegratedtransformerIo142.操作原理和基波近似ƒ方波发生器:通过每次切换以50%占空比交替驱动开关Q1和Q2产生方波电压Vdƒ谐振网络:由Llkp,Llks,Lm和Cr组成。电流滞后于施加于谐振网络的电压,这允许零电压开启MOSFETƒ整流网络:通过调整交流电流产生直流电压IpIds2Vd(Vds2)Vgs2ImVinIDVgs1+VO-RoQ1Q2n:1IpLlkpLmCrIds2VdLlksImIDVinSquarewavegeneratorresonantnetworkRectifiernetworkIo方波发生器谐振网络整流网络152.操作原理和基波近似ƒ谐振网络可以过滤掉高次谐波电流。因此,即使方波电压应用于谐振网络,基本上只有方波的基次谐波可以通过谐振网络。ƒ基波近似:假定只有输入到谐振网络的方波电压的基波有助于功率传递到输出。ƒ方波电压由它的基波成份替代ResonantnetworkVdIpIsecResonantnetworkVdIpIsec谐振网络谐振网络162.操作原理和基波近似100kHz300kHz500kHz700kHz1||||ZjLRjCωω=++.....)...7sin(7200)5sin(5200)3sin(3200)sin(1200)(7531++++=+++=VVVVwtwtwtwttf172.操作原理和基波近似VOLmLlkpCrRoVinVdFVROFLmLlkpCrRacLlksn:1n2LlksVd+-228aconRRπ=+-VRI+-+VRI-Io+VO-IacpkacIIacVRI4sin()FoRIVVwtπ=Vo)sin(2wtIIoac=πRoVRIF2288FFoRIRIacoFacacoVVVRRIIIππ====ƒ初级电路被替换成一个正弦电流源(Iac)和方波电压(VRI),作为整流器输入电压。ƒ等效负载阻抗为222811,,//()acooprrprpmlkprlkpmlksnRRLCLCLLLLLLnLπωω====+=+182.操作原理和基波近似ƒ简化的AC等效电路(L-L-C)VOLmLlkpCrRoVinVinFVROFLp-LrLrCrLlksn:1Vd+--+VRI+-1:pprLLL2//()//rlkpmlkslkpmlkpLLLnLLLL=+=+plkpmLLL=+acR设Llkp=n2Llks222222()2()(1)(1)prppOpinoorpLLLnVMLVjQLωωωωωωωω==+用Lp和Lr来表示-Lr:漏感,次级线圈短路在初级测量得到-Lp:主感,次级线圈开路在初级测量得到192.操作原理和基波近似ƒ增益特性9存在两个谐振频率(fo和fp)9不管负载怎么变化,在谐振频率(fo)处增益都是固定的。9峰值增益频率在fo和fp之间9随着Q降低(如负载降低),峰值增益频率向fp移动,得到较高的峰值增益。9随着Q上升(如负载增加),峰值增益频率向fo移动,峰值增益下降。频率LLC谐振变换器202.操作原理和基波近似ƒ对于不同的m值,峰值增益(可获得最大增益)随Q变化峰值增益mQÆpeakGainincreases/rrracacLCZQRR==www.fairchildsemi.comRegion1:•fs>fo•SimilartoSRC(Lmcanbeignored)•ZVS.Region2:•fs<fo•Lmparticipateinresonant•ZVS.•Lowerturnoffloss.Region3:•fs<fo•ZCS.•Abnormalstate2.操作原理和基波近似222.操作原理和基波近似Belowresonance(fs<fo)ƒLargercirculatingcurrentƒSoftcommutationofrectifierdiodeAboveresonance(fs>fo)ƒSmallercirculatingcurrentƒHardcommutationofrectifierdiodeIpImIOID(I)fs<foIpIDIOIm(II)fs>fofofsGain(M)Belowresonance(fs<fo)aboveresonance(fs>fo)232.操作原理和基波近似Aboveresonance:-Currentislaggingthevoltage-IncreasingfsÎdecreasinggain-Zerovoltageswitching(ZVS)Belowresonance:-Currentisleadingthevoltage-IncreasingfsÎIncreasinggain-ZeroCurrentSwitching(ZCS)fo=67kHz80nF70uH10ohmsIab200VaQ1Q2b200VZCSfs=50kHzfs=90kHzZVS12ofLCπ=242.操作原理和基波近似ƒWhathappenswhenconverteroperatesinZCSregion?+VO-RoQ1Q2n:1IpLlkpLmCrIds2VdLlksImIDVinSquarewavegeneratorresonantnetworkRectifiernetworkIo-Thepolarityofthecontrolisreversed(uncontrollable)-SevereshortthroughcurrentthroughtheMOSFET(reverserecoverycurrentofbodydiode)Q1->Q1bodydiode->Q2->Q2bodydiode->Q1252.操作原理和基波近似ƒWhathappenswhenconverteroperatesinZCSregion?IabVds2Ids2263.设计流程ƒ设计实例-输入电压:380Vdc(PFC输出)-输出:24V/8A(192W)-保持时间要求:20ms-PFC输出端的直流环节电容:220uFVO+-RoQ1Q2Np:NsIpLlkpLmCrIds2VdLlksImIDPFCVDLCDLDC/DC273.设计流程【第一步】定义系统参数(VinminandVinmax)9预估效率(Eff)9输入电压范围:最小输入电压必须考虑上升时间min2.2inHUinOPFCDLPTVVC=VccforLLCcontroller283.设计流程【第二步】选择m,确定谐振网络的最大和最小电压增益-一般,m取3~7,此时谐振频率(fo)下的增益为1.1~1.2maxmaxminminininVMMV=293.设计流程【第三步】确定变压器圈数比(n=NP/NS)maxmin2()pinsoFNVnMNVV==+【第四步】计算等效负载阻抗(Rac)2228oaconVRPπ=303.设计流程【第五步】设计谐振网络(Cr,Lr,Lp.)-利用第二步选择的m值,从增益曲线中读取合适的Q值-在第二步中得到,在最小工作电压时的最大增益为1.28,预留15%的余量,需要1.47的最大增益。则由m值,peakgain我们可以在下表中得到Q值。如果将工作频率设定在100kHz,根据前面得到的Rac,Q,m,我们可以得到Cr,Lr,Lp.313.设计流程【第六步】设计变压器-利用增益曲线,读取最小切换频率。然后,利用下面的等式计算变压器的初级最小线圈数323.设计流程【第七步】变压器构造-由于LLC变换器设计需要一个相对大的Lr,一般采用一种可组合线轴-线圈数和绕线结构是决定Lr大小的主要因素-变压器芯的气隙长度不会影响Lr太多-通过调整气隙长度却可以轻松控制Lp设计值:Lr=126uH,Lp=630uHNp=52TNs1=Ns2=6TBifilar333.设计流程【第八步】根据实际情况细调参数,验证PeakGain,最小工作频率,工作区..LLCgain3450%占空比半桥谐振(LLC)-ZVS,效率高内置MOS寄生二极管反向恢复快,达120ns死区时间固定350ns可调间歇工作模式-可在轻载时限制频率降低功耗在控制脚可简单实现ON/OFF控制保护齐全OVP,OLP,OCP,AOCP,TSDFSFR系列特点及输出功率35FSFR系列内框图36FSFR系列工作线路R1923kC231n400VIC1KA431231VFBC23A10nC2550V/1uT1R161KC122nR2533kFBSGHVCCRTCSPGVCTRLVCCVDLU13510479261C435V/1000u24V/8AR171kR222.2kC235V/1000uL18uHC50.15uR293kR117.5kD6UF4007R1210kC335V/1000uR6910RC750V/10uVCCR300.2RVFBR287.5kOP1PC8171243D2FYPF2010C240.1u37简单的ON/OFF控制CONCON脚电压<0.4VIC不工作CON脚电压>0.6VIC恢复工作38FSFR系列产品保护功能检测谐振电流VCS<-0.6VOCP检测CON电压VCON>5VOLP检测LVCC电压LVCC>23VOVP检测谐振电流VCS<-0.9VAOCP检测MOS温度TMOS>130CTSD39OCP保护波形输出短路OCP触发输出过载OCP触发40软起动功能通常软启动频率是正常工作频率的2-3倍41软起动波形42Thankyou!Thankyou!

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