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开关电源LLC谐振转换器的优点及研究分析

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开关电源LLC谐振转换器的优点及研究分析

随着开关电源向高频、高效和高功率密度方向的发展,传统的硬开关在应用中出现了很多问题。为解决这些问题,软开关技术应运而生。谐振型开关变换器作为软开关的一种,具有工作频率高、损耗小、效率高、体积小等优点。而LLC谐振型开关变换器以其兼具能够在全负载范围内实现原边开关管的ZVS开通,整流二极管的ZCS关断的特点和便于磁集成、输入电压范围宽等优势,在高频开关领域获得了广泛的关注和应用。

LLC谐振转换器的优点
llc谐振转换器一般包含一个带mosfet的控制器、一个谐振网络和一个整流器网络。控制器以50%的占空比交替为两个mosfet提供门信号,随负载变化而改变工作频率,调节输出电压vout,这称为脉冲频率调制(pfm)。谐振网络包括两个谐振电感和一个谐振电容(l-l-c)。谐振电感 lr、lm 与谐振电容cr 主要作为一个分压器,其阻抗随工作频率而变化(如式1所示),以获得所需的输出电压。在实际设计中,谐振网络可由一个采用如图2所示分段骨架(sectional bobbin)的集成式变压器的磁化电感lm 与漏感llk 构成。而整流器网络对谐振网络产生的正弦波形进行整流,然后传输到输出级。  式2给出了采用如图2所示的实际变压器时,llc谐振转换器的电压转换比。在式2中可观察到两个谐振频率。一个由lp 和 cr 决定,记为ωp,另一个由lr 和 cr决定,记为ωr。利用这个公式,可获得llc谐振转换器随频率和负载变化的增益特性曲线,见图3所示  如图3所示,每条曲线上以符号‘+’标注的最高值被称为‘峰值增益’,位于两个谐振频率ωp 和 ωr 之间。当输出负载越来越大时,峰值增益值逐渐减小,其位置向更高频率移动。同时,以符号‘×’标注的ωr时的谐振增益却是固定的,不随输出负载的变化而变化。增益曲线说明在 zvs状态下,随着谐振网络的工作频率增加,增益减小,输出电压降低。

电源适配器是什么
LLC谐振变换器的研究

伴随着功率半导体元器件的发展,高频化已成为一种发展趋势,高频变换能够显著减小功率变换器的体积、重量,从而有效地提高变换器的功率密度,但传统的PWM变换器已经很难适应高频化的发展趋势。相比于PWM变换器,谐振变换器具有开关工作频率高、开关损耗小、效率高、允许输入电压范围宽、体积小、重量轻、开关应力小、EMI噪声小等优点。并且LLC谐振变换器能在全负载范围内实现开关管的ZVS,副边整流二极管实现ZCS,有效降低了开关损耗,大大提高了电源效率。此外,LLC谐振变换器还可实现谐振电感和变压器的磁集成。基于上述优点,LLC谐振变换器在现代开关电源中得到了广泛的使用。 本文首先对谐振变换器的基本分类和自的优缺点进行了总结和归纳,并与传统的PWM变换器行了对比,总结出了LLC谐振变换器的主要优点;详细分析了LLC谐振变换器的工作原理,对其在各个频率范围内的工作波形分别作了深入探讨;基于FHA(基波分析法)的方法对LLC谐振变换器的稳态直流增益特性进行了详细研究,并由此总结推导出了一种简单的谐振参数设计方法,结合设计实例,给出了各参数计算结果;基于扩展描述函数法建立了LLC谐振变换器的小信号模型,在此基础之上分析了开关频率变化时变换器的小信号特性,并根据动态特性的要求对变换器的补偿器设计问题进行了分析,设计了补偿器的基本结构;采用磁集成技术,利用变压器的漏感和励磁电感,将谐振电感集成到变压器中,减少了磁件的数量和体积;通过SABER仿真结果验证了理论分析的正确性。

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| 发布时间:2017.09.19    来源:电源厂
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