关于 LLC的常见问题的解答

标签:LLCMOSFET
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1、为什么LLC网络要在感性区域工作?
 
每个网络都存在感性、容性和纯阻性三种状态。对于LLC网络而言,它也存在这三种状态,并且会根据输入和负载的变化而在容性-阻性-感性之间转变。下图展示了LLC等效模型。
 
我们希望能够将网络工作在纯阻性区域,因为纯阻性网络具有最高的品质因素和最佳的网络特性;
如果将网络工作在容性区域,电流会超前于电压,这对于前级开关管来说更容易实现零电流切换(ZCS)关断,因此这个区域比较适合使用IGBT;
而如果将网络工作在感性区域,电压会超前于电流,这对于前级开关管来说更容易实现零电压切换(ZVS)开通,因此这个区域比较适合使用MOSFET
 
由于中小功率电源普遍使用MOSFET,因此常规的LLC拓扑开关电源选择在感性区域工作。
 
2、ZVS1和ZVS2各有什么优缺点,如何选择?
 
LLC网络包含两个电感和一个电容,也就是说存在两个谐振点。一个谐振点由Lr和Cr决定,另一个谐振点则由Lm、Cr和负载条件决定。当负载加重时,谐振频率将升高。下图所示:
 
在整个感性区域都能实现零电压切换(ZVS),但是在ZVS1区不能实现次级整流管的零电流切换(ZCS)关断,存在反向恢复问题;而在ZVS2区可以实现次级整流管的ZCS关断,并且不存在反向恢复问题。因此,对于选择网络工作在ZVS1还是ZVS2区域有不同的观点。从理论上讲,工作在ZVS2区域的效率高于ZVS1区域;总体来说,越接近谐振点(增益为1)的工作点效率越高,同时也要考虑短路性能等问题,建议选择略大于谐振点的工作点(基于LLC短路问题靠增加频率提高网络的等效阻抗以保护这一特性)。
 
3、LLC初级MOSFET是ZVS开通还是ZCS关断?
 
由于LLC网络工作在感性区域,所以开通时实现零电压切换(ZVS),但关断时既不是ZVS也不是ZCS,而是硬开关。关断损耗是不可避免的,但对于MOSFET而言,开通损耗相对较大,因此LLC的ZVS指的是开通时刻的零电压切换,这样可以大大降低开关损耗。
 
4、为什么计算LLC匝比要使用母线电压的一半?
 
在反激或正激电路的设计中,我们通常使用母线电压来计算匝比。但为什么LLC只使用母线电压的一半来计算匝比呢?在LLC中,上管在开通的半个周期内将能量输入到网络中,其中一部分能量直接传递到输出端,另一部分则储存在网络内部。在下管开通的半个周期内,通过谐振电容和谐振电感将能量输出。因此,只有上半个周期母线给网络输入了能量,即时间利用率为一半,相当于输入电压利用率为1/2。
 
5、LLC分体谐振电容有什么优缺点?
 
在LLC半桥谐振电路中,根据谐振电容的不同连接方式,有两种典型的LLC谐振电路。其中,左图使用单一谐振电容(Cr),虽然输入电流纹波和有效值较高,但布线简单,成本相对较低。右图使用分体谐振电容(C1、C2),虽然输入电流纹波和有效值较低,C1和C2上只流过一半的有效值电流,而且电容值仅为左图单一谐振电容的一半。综合比较,分体谐振电容的优势并不明显。
 
6、独立谐振电感和集成谐振电感各有什么优缺点?
 
首先来说集成谐振电感的方式,它利用变压器初级漏感作为谐振电感。其优点是体积小、成本低,但缺点是漏感很难控制,与变压器的绕法和初级匝数紧密相关,因此谐振参数难以调节,性能难以达到最优。
 
独立谐振电感的方式是通过外置一个谐振电感,并同时控制主变压器的漏感在一个很小的范围内。这种方式的优点是调节谐振电感和励磁电感的比例更加灵活,容易调节到理想状态,但缺点是增加了谐振电感的体积、布线难度和成本。
 
因此,对于功率较小的电源而言,更倾向于使用集成谐振电感,因为成本相对较低,对性能要求不是很严格;而对于功率较大的电源,则更倾向于使用外置谐振电感,因为这样可以更容易优化性能。
 
7、LLC的开关管是否可以直接并联?
 
MOSFET中的栅-漏电容(Cgd)是寄生的电容,位于栅极和漏极之间。在硬开关电路中,驱动电流充电Cgs和Cgd,然后开始开通。在开通过程中,Vds电压下降,导致Cgd开始放电。因此,在开通时需要较大的驱动电流来充电Cgd,这会导致驱动电压波形出现一个短暂的平台,即所谓的米勒平台。在关断时,DS电压急剧上升,DG电容会通过电流充电GS电容,引起二次导通。为了消除开通时的米勒效应,开关管即将开通时,DS电压为零,即实现了零电压切换(ZVS)。
 
对于LLC而言,开关管是以ZVS方式开通的,因此对于功率稍大的情况,可以直接并联开关管,不会出现明显的米勒效应。
 
8、LLC的谐振电容和输出功率之间的关系是怎样的?
 
这里使用一个公式来说明:
 
很明显,输出功率越大,所需的谐振电容容量也越大。
 
9、LLC适合用于恒流输出吗?
 
PWM控制器的输出电压范围可以非常广泛地调节,只要供电正常,IC就能实现宽范围的输出电压,这对于恒流输出电源来说具有很大优势。然而,LLC是一种PFM控制方式,只能通过改变频率来实现输出电压的变化。根据增益曲线图可以知道,LLC的增益变化范围相对较小。要实现宽电压范围的输出特性比较困难,因为输出电压越低,工作频率就会越高,从而导致开关损耗和磁芯损耗加剧。因此,在一定程度上,只能通过限制IC的最高工作频率并通过跳周期的方式来降低增益。这增加了环路调节的难度,并且跳周期纹波不易控制,性能也不是最优的。因此,LLC不适合用于太宽范围的恒流输出。
 
10、满足ZVS的两个必要条件是什么?
 
要实现零电压开关(ZVS),有两个必要条件需要满足。首先,LLC电路在其整个负载范围内都必须处于感性区域,这是最基本的条件。其次,还有一个常常被忽视的条件。
 
为了实现开关管的ZVS,励磁电感的峰值电流(im)必须在死区时间内使即将开通的开关管的结电容放电,直到电量耗尽、电压降至零。同时,已关断的开关管也要将其结电容充电至输入电压。因此,要实现两个功率开关管的ZVS,必须满足以下励磁电感峰值电流(Ipk)与死区时间(tdead)的关系:
 
其中,Vin为输入总线电压,Cj为MOSFET的结电容(在此处忽略了电路布局的杂散电容),tdead为死区时间。
 
当电路工作于谐振频率时,谐振网络电流呈正弦波形,其中im为励磁电流。在每个开关周期的半程结束时,励磁电流达到最大值,与谐振网络电流ir相等。
 
励磁电感峰值电流可以通过以下公式得到:
 
其中Vo为输出电压,T为开关周期,Lm为励磁电感。Lm的值应满足以下不等式:
 
这个不等式得出的最大励磁电感Lm可以确保开关管实现ZVS,然而较小的Lm将增加MOSFET的开关损耗。通过使用被动负载Lm,可以确保在任何负载情况下都能工作在零电压开关状态下。

关键词:罗姆MOSFET

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