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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。

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&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)在开关开启之前其体二极管先导通开关上的电压降为(ZVS)•去除V和I之间的交迭区域•消除容性功耗(P=cu^f)ƒ串联谐振变换器并联谐振变换器引言串联谐振(SR)变换器分压器VORoQQn:IpLrLmCrIdsVdVinresonantnetworkƒ谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)串联ƒ谐振电容和负载串联谐振网络与负载作为一个分压器ÆDC增益通常小于(增大增益出现在谐振频率)谐振网络LrCrRacVdFVRIF引言串联谐振(SR)变换器变频控制LrCrRacVdFVRIF通过改变驱动电压(Vd)的频率改变谐振网络阻抗Vr=Vin*r(rwLwc)引言串联谐振(SR)变换器ƒ优点通过ZVS降低开关功耗和EMIÆ提高效率降低高频工作中磁性元件的尺寸ƒ缺点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不能在无负载条件下调节输出--负载变化太大引言ƒ谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)串联ƒ谐振电容和负载并联通过改变驱动电压(Vd)的频率改变谐振网络阻抗VORoQQn:IpLlkpCrIdsVdVinresonantnetwork并联谐振(PR)变换器谐振网络引言ƒ优点无负载情况下调节输出是没问题的连续整流电流(电感输出):适合高输出电流应用场合ƒ缺点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)变换器引言ƒ什么是LLC谐振变换器拓扑看起来和传统的LC串联谐振变换器相同变压器的激磁电感(Lm)很小并且和谐振工作有关VORoQQn:IpLrLmCrIdsVdImIDVinresonantnetworkIoVORoQQn:IpLrLmCrIdsVdVinresonantnetworkLC串联谐振变换器LLC谐振变换器谐振网络谐振网络引言LCresonantconverter:LmisassumedtobeverylargeVORoQQn:IpLrLmCrIdsVdVinresonantnetworkVORoQQn:IpLrLmCrIdsVdImIDVinresonantnetworkIomacacjLRRωLLCresonantconverter:LmisnotassumedtobeverylargemacacjLRRωLmLrCrRacVdFVRIFLrCrRacVdFVRIFIpIdsVd(Vds)VgsImVinIDVgsIpIdsVd(Vds)VgsVinIDVgs引言LLC电压增益不同于LC串联谐振变化器LCresonantconverter:LmisassumedtobeverylargeLLCresonantConverter,,,,freq(Hz)GainGain(Fullload)Gain(load)Gain(load)Gain(load)Gain(load)LCresonantconverterEEEfreq(Hz)GainGain(Fullload)Gain(load)Gain(load)Gain(load)VORoQQn:IpLrLmCrIdsVdVinresonantnetworkVORoQQn:IpLrLmCrIdsVdImIDVinresonantnetworkIomacacjLRRωLLCresonantconverter:LmisnotassumedtobeverylargemacacjLRRωLmLrCrRacVdFVRIFLrCrRacVdFVRIF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引言ƒLLC谐振变换器中的集成式变压器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)节省一个磁性元件(Lr)漏电感不仅存在于初级还存在于次级需要考虑次级的漏电感集成式变压器VORoQQn:LrLmCrIdsVdIDVinIoVORoQQn:IpLlkpLmCrIdsVdLlksImIDVinIntegratedtransformerIo操作原理和基波近似ƒ方波发生器:通过每次切换以占空比交替驱动开关Q和Q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IpIdsVd(Vds)VgsImVinIDVgsVORoQQn:IpLlkpLmCrIdsVdLlksImIDVinSquarewavegeneratorresonantnetworkRectifiernetworkIo方波发生器谐振网络整流网络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谐振网络谐振网络操作原理和基波近似kHzkHzkHzkHz||||ZjLRjCωω=)sin()sin()sin()sin()(==VVVVwtwtwtwttf操作原理和基波近似VOLmLlkpCrRoVinVdFVROFLmLlkpCrRacLlksn:nLlksVdaconRRπ=VRIVRIIoVOIacpkacIIacVRIsin()FoRIVVwtπ=Vo)sin(wtIIoac=πRoVRIFFFoRIRIacoFacacoVVVRRIIIππ====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,,()acooprrprpmlkprlkpmlksnRRLCLCLLLLLLnLπωω=====操作原理和基波近似ƒ简化的AC等效电路(LLC)VOLmLlkpCrRoVinVinFVROFLpLrLrCrLlksn:VdVRI:pprLLL()rlkpmlkslkpmlkpLLLnLLLL==plkpmLLL=acR设Llkp=nLlks()()()()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操作原理和基波近似ƒ增益特性存在两个谐振频率(fo和fp)不管负载怎么变化在谐振频率(fo)处增益都是固定的。峰值增益频率在fo和fp之间随着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。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mQÆpeakGainincreasesrrracacLCZQRR==wwwfairchildsemicomRegion:•fs>fo•SimilartoSRC(Lmcanbeignored)•ZVSRegion:•fs<fo•Lmparticipateinresonant•ZVS•LowerturnofflossRegion:•fs<fo•ZCS•Abnormalstate操作原理和基波近似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)操作原理和基波近似Aboveresonance:CurrentislaggingthevoltageIncreasingfsÎdecreasinggainZerovoltageswitching(ZVS)Belowresonance:CurrentisleadingthevoltageIncreasingfsÎIncreasinggainZeroCurrentSwitching(ZCS)fo=kHznFuHohmsIabVaQQbVZCSfs=kHzfs=kHzZVSofLCπ=操作原理和基波近似ƒWhathappenswhenconverteroperatesinZCSregionVORoQQn:IpLlkpLmCrIdsVdLlksImIDVinSquarewavegeneratorresonantnetworkRectifiernetworkIoThepolarityofthecontrolisreversed(uncontrollable)SevereshortthroughcurrentthroughtheMOSFET(reverserecoverycurrentofbodydiode)Q>Qbodydiode>Q>Qbodydiode>Q操作原理和基波近似ƒWhathappenswhenconverteroperatesinZCSregionIabVdsIds设计流程ƒ设计实例输入电压:Vdc(PFC输出)输出:VA(W)保持时间要求:msPFC输出端的直流环节电容:uFVORoQQNp:NsIpLlkpLmCrIdsVdLlksImIDPFCVDLCDLDCDC设计流程【第一步】定义系统参数(VinminandVinmax)预估效率(Eff)输入电压范围:最小输入电压必须考虑上升时间mininHUinOPFCDLPTVVC=VccforLLCcontroller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~此时谐振频率(fo)下的增益为~maxmaxminminininVMMV=设计流程【第三步】确定变压器圈数比(n=NPNS)maxmin()pinsoFNVnMNVV==【第四步】计算等效负载阻抗(Rac)oaconVRPπ=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预留%的余量需要的最大增益。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kHz,根据前面得到的Rac,Q,m,我们可以得到Cr,Lr,Lp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=uH,Lp=uHNp=TNs=Ns=TBifilar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LLCgain%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ns死区时间固定ns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ONOFF控制保护齐全OVP,OLP,OCP,AOCP,TSDFSFR系列特点及输出功率FSFR系列内框图FSFR系列工作线路RkCnVICKAVFBCAnCVuTRKCnRkFBSGHVCCRTCSPGVCTRLVCCVDLUCVuVARkRkCVuLuHCuRkRkDUFRkCVuRRCVuVCCRRVFBRkOPPCDFYPFCu简单的ONOFF控制CONCON脚电压<VIC不工作CON脚电压>VIC恢复工作FSFR系列产品保护功能检测谐振电流VCS<VOCP检测CON电压VCON>VOLP检测LVCC电压LVCC>VOVP检测谐振电流VCS<VAOCP检测MOS温度TMOS>CTSDOCP保护波形输出短路OCP触发输出过载OCP触发软起动功能通常软启动频率是正常工作频率的-倍软起动波形Thankyou!Thankyou!

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