1LLC 电路调频模式
下图是 LLC 谐振网络的示意图:
直流源的输入电流平均值可以根据谐振电流得到,如下式:
根据有功功率平衡,半桥三电平 LLC 的输入功率可以表示为:
根据输出电流平均值等效的原则,我们可以得到输出负载上的平均值为:
从整流网络看进去,等效为一个纯阻性负载,故用变压器二次侧的电压除以电流,我们便可以得到二次侧的等效电阻,并折射到变压器一次侧可以得到下式:
我们可以把谐振腔转化为一个用标准正弦交流电压驱动,经过 LLC 把功率传递到一个等效的交流电阻性负载。即把一个非线性的电路化简为一个线性电路,并且交流参数和直流参数的关系是根据上式唯一确定的,我们可以得到简化电路模型:
可以得到谐振腔的直流电压增益为:
为了分析 LLC 电路的输出和频率的关系,要对谐振腔的简化模型进行频域分析,可以得到输出电压和输入电压的关系方程为:
将 s=jws 代入上式,并同时取归一化频率:fn=fs/fr1,电感比:k=Lr/Lm,特征阻抗:Z=√(Lr/Cr)=2πfr1Lr
=1/(2πfr1C),品质因数:Q=Z/Rac=√(Lr/Cr)/Rac,得到电压基频交流增益:
我们可知,输出电压主要影响参数有 n、k 和 Q,为了便于分析各个变便和输出电压之间的关系,故分析一个参数的频率特性的时候,需要固定另外一个参数。
2 电感比对增益的影响
当固定匝比 n 和品质因数 Q 时,不同的电感对应的增益曲线,如下图:
我可以看出上图曲线的一些特征:
①增益曲线在 fn=1 处的增益均为 1,说明此时电路处于准谐振状态,不受负载的影响,为其理想工作状态。
②增益曲线存在最大值点,此处的频率为第二谐振频率,决定电路的最大输出电压。
③曲线被两个谐振点分成了三个工作区域,也就是两个单调区间(低频和高频)。其中
➤低于第二谐振点的为容性区,谐振腔输入电流超前于电压而不能实现软开关,且斜率较为陡峭一般不使用;
➤高于第一谐振点的区域为不能实现 ZCS 区,增益小于 1,因为此处的频率较高,工作中无第二谐振过程;
➤介于两者之间为理想工作区,既能实现 ZVS,又能实现 ZCS,保证电路的高效率运行。
综上,我们可以知道,电感比 k 越小时,最大增益也越小,在最低电压输入可能会满足不了期望的输出;同时曲线变化越缓慢,意味着电压增益对频率越来越不敏感。另外,励磁电感的相对增大也使得第二谐振频率点的减小,同样输入输出电压条件下,造成频率变化范围变宽将不利于磁性元件的设计和正常工作。因此,在期望输出电压和工作频率范围区间来说,电感比越大越好。
但是当电感较大时,意味着励磁电感越小,则相同的电压下的峰值电流越大;根据电感储能公式(p=0.5*Lm*ILm²)
可知,在输出功率一定时,励磁电感上的峰值电流越大,励磁电感上的损耗会增加。原边开关管关断时的电流即为励磁电流,那么会使关断损耗较大;但是峰值电流过小,可能会影响零电压的开通。
3 品质因数对增益的影响
当匝比 n 和电感比λ固定时,不同的品质因数对应的增益曲线如下:
从曲线我们可知,Q 值的大小决定输出电压的期望范围,即 Q 值越小,最大增益越大,曲线越陡峭,频率范围越窄,特性也就越好。但是当负载一定时,过小的 Q 值将会带来较小的谐振电感,又因为电感比固定,则励磁电感也较小,不利于电路的高效率工作,一般输出电压比较容易满足要求,所以在满足 ZVS 的条件下应该选择较大的 Q 值。
下面是两种特殊 Q 值得情况:
①开路特性也称为空载特性(Q=0),此时的电压增益可以用 Gac=1/|1+k-k/fn²|表示,在高频单调区间内仍然可以通过增大频率来稳定电压;而且开路电压增益存在一个极限最小值
实际设计时,我们应该注意最小的增益要大于该值,这样才能保证电路在空载时可以在一个较高的工作频率下稳定运行。
②短路特性(Q➝∞),去归一化的谐振腔负载,则可以得到归一化的输出电流,短路时输出负载为零,故归一化的输出负载也为 0,则短路电流可以简化为下式:
从短路电流和频率的关系可知,限制电路的最大工作频率即可达到限制短路电流的目的。
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