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【笔记】LLC电路工作频点选择 2-1 输出稳定性的限制

LLC工作模式的分析参考了:现代电力电子学,电力出版社,李永东

1.LLC电路可以选择VCS也可以选择ZVS

1.1选择ZCS时,开关管与谐振电感串联后,与谐振电容并联:

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1.2选择ZVS时,开关管仅仅安装在谐振电容两端:
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两种电路等效,分析近乎对称,下面选择ZVS进行分析。

2.ZVS谐振电路的几个工作阶段

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2.1 t0 - t1, VTp开关管关断

  • 初始状态:
    • 此时VD关断,
    • VTp管关断
  • Io近乎不变地为Uc充电,Uc两端电压近乎线性上升
  • 结束条件:
    • 当谐振电容上的电压达到E
    • VD承受正向压降导通。开始进入LRC谐振状态。

2.2 t1 - t2, VTp开关管关断->联通

  • 初始状态:
    • 电路电流 Istart = Io
    • Uc = E
    • VTp管关断
  • 此时进入谐振状态
    • 此时电路的电流不断减小到0.
    • 05e45bf322a142e4a913c6853df47f30.png
    • 能量从电容转移到电感处。
  • 结束条件
    • Uc=0
    • VTp导通

2.3 t2-t3, VTp开关管联通

  •  初始状态:
    • 电路电流 Istart = 0
    • Uc = 0
    • VTp管打开
  • 此时电源向谐振电感恒压充电
    • 电感电流提升
    • L*di/dt = E
  • 结束条件
    • 电感流过电流达到Io
    • VD因为失压关断

2.4 t3-t4, VTp开关管联通=>关断

  •  初始状态:
    • 电路电流 Istart = Io
    • Uc = 0
    • VTp管打开
    • VD关断
  • 这个状态延续的时间,取决于所需要的负载电压
    • 也取决于VTp的开关周期
    • 电路工作在PFM模式
  • 结束条件
    • 电流其实输出到了Lm上,如果Lm上的电流达到所需的负载电压
    • VTp强制关断,回到t0.

3.ZVS模式VTp实现0电压导通的条件

  • 关键步骤在2.2步:
  • 整个电路的核心参数:
    • 最小输出电流Io_min
    • 谐振频率Fr
  • Uc必须在VTp导通前降到0,即LC谐振电路的阻抗要有一个上限:

        eq?Z_%7Br%7D%20%3E%3D%5Cfrac%7BE%7D%7BIo_%7Bmin%7D%7D

3.1 由此带来的约束条件

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4 谐振电路的容性和感性区段划分与工作频段的约束 

4.1 容性与感性区域

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上图出自:《Understanding LLC Operation(PartII)What to consider in LLC Converter Design》,Tomas Hudson, MPS。容性区和感性区的划分是很显然的:

LLC电路中当特定频率的容抗被Lc+Lm对冲完毕还有余量的时候,电路就是感性的。

否则电路会表现出容性,电路表现出容性的时候,增益一定会更小。并且它不仅仅是增益更小,还意味着进入不安全的工作区间:

4.2 负载的抖动与电路的自然平衡

Figure6中,是在平衡条件下的LLC增益,假设,外设的功率在抖动,如果输出功率加大的瞬间,谐振电路的频点自动调节来不及响应,系统的增益会从所在的频点向下跌落,注意,此时的系统Q值也确实在增大,对应的增益曲线也确实如下图所示:从红线=>蓝线

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假定,此时的频点在谐振频率(Lr,Cr)的高频侧,这个时候,电路的抗冲击能力足够,且不会进入容性区。但是假定,工作的频点已经落在谐振频点的低频侧,这个时候,系统已无额外的增益余量可以应对负载波动。

4.3 合适的频点选择

所以,合适的工作频段选择,需要在LC谐振频点(?)的更外侧,并且留出余量。如下图:

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另外一个问题与电感的特性有关,电容不足,仅仅是耐压的问题,电感不足,超过最大磁通,电流会升得很高。怎么都会是个问题。

MGMin - MGMax是从输入电压的波动考量的。电压高,电路的整体增益只需要MGMin就可以满足。电压低,系统需要更大的增益。

5.遗留问题

5.1 eq?Freq_%7Bmin%7D的极限是谐振频率吗?(仅考虑Lr, Cr的频率)

5.2 LLC最大增益点是(Lr+Lm, Cr)的第二谐振频率吗?虽然我们不会用到它

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