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LLC的欠諧振和過諧振狀態分析

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前述文章,LLC電路的諧振工作模態淺析,詳細分析了LLC電路在諧振狀態下的典型波形和工作過程,但是實際運行中由于輸入電壓或者輸出電壓的變化使得LLC電路不一定運行于諧振狀態,本文簡要分析一下其它的一些工作狀態。

.LLC的欠諧振工作狀態

欠諧振,顧名思義,就是工作頻率低于諧振頻率,這種狀態下的工作情況本質和諧振狀態是一樣的,但是它的一些特殊區別會影響到副邊開關的行為。

在欠諧振狀態下,由于工作周期會比諧振周期長,那么諧振腔電流的基波周期會比LLC的半周期短一些,在半周期結束之前就使得諧振電流達到了磁化電流,之后的一些時間(下一個半周期之前)內原邊諧振腔保持為磁化電流。

圖1 LLC諧振狀態的波形

我們回顧一下前面討論過的典型諧振狀態,從LLC典型諧振狀態的波形來看,當半周期結束時,原邊諧振腔電路的電流正好等于磁化電流,如圖1C的波形,這種狀態下諧振周期基本等于開關周期。

圖2 LLC欠諧振狀態的波形

而從欠諧振狀態的波形來看,由于諧振周期短于工作周期,所以在半周期結束前LLC的諧振腔電流就變為了磁化電流,如圖2C波形所示,對于副邊使用二極管整流的拓撲來說,由于二極管只能單向導通電流,所以,當副邊電流過零時,二極管會自動關斷,如圖2的D和E所示,而相應的,如果副邊采用同步整流拓撲,則設計者可以通過對驅動波形的控制,在電流過零點關斷同步整流mosfet開關,這其中涉及到多種電流采樣技術,此處我們不做太多討論。

.LLC的過諧振狀態

LLC的過諧振狀態,顧名思義,就是說工作頻率大于諧振頻率,相應的工作周期小于諧振周期。過諧振的一些運行行為和欠諧振相反。由于諧振周期大于開關周期,所以,在LLC的半周期末,諧振腔電流會大于磁化電流,而在接下來的死區時間內,腔電流會快速降低為磁化電流,進而開始新的半周期。

圖3 LLC過諧振狀態的波形

當過諧振時,由于諧振周期大于工作周期,所以原邊的主開關和副邊的同步整流開關可以同步運行,控制上相對簡單。

所以,總的來說,副邊同步整流開關的控制方式取決于開關頻率和諧振頻率的關系,在軟件上這是相對容易實現的。

從圖3的過諧振典型波形上看,LLC諧振腔電流在半周期結束前大于磁化電流,如C波形所示。

.副邊同步整流的簡單討論

LLC的副邊拓撲采用同步整流會比二極管整流得到較小的損耗,提高效率。當采用二極管整流時,二極管上的損耗如圖4所示。它由二極管的正向壓降損耗和正向電阻損耗兩部分組成。

圖4 二極管損耗的表達式

圖5 同步整流mosfet損耗表達式

在副邊更換為同步整流開關后,其損耗主要是導通損耗,如圖5所示,這會大大減小副邊損耗,提高效率。

副邊整流輸出一般有兩種拓撲形式可以選擇,全波二極管整流或者全波中心抽頭整流,后者適用于低壓大電流場合,前者適用于高壓小電流場合。在副邊使用中心抽頭整流時,一般會將中心抽頭接到副邊地,變壓器兩端接副邊整流mosfet的漏極,其源極都是接地的,這樣的好處是容易驅動這樣的低邊mosfet,而不需要自舉電路。對于mosfet的驅動時序要求,我們在前兩部分中已經說明,此處不做討論。

總結,簡要分析LLC電路的欠諧振和過諧振狀態,分析其工作模式的基本特點和副邊mosfet驅動要求,后續的分析做出鋪墊。

參考文獻:AN1336 DC/DC LLC Reference Design Using dsPIC DSC

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