LLC谐振变换器的工作模态分析

news2024/12/12 15:40:58

概述

LLC谐振变换器在传统串联LC和并联LC谐振变换器的基础之上进行改进，既有LC串联谐振变换器谐振电容所起到的隔直作用和谐振网络电流随负载轻重而变化，轻载时效率较高的优点。同时又有LC并联谐振变化器可以在空载条件下，对滤波电容的电流脉动要求小的特点，但是电路特性也变得比较复杂，以LLC半桥谐振变换器一起进行学习。

半桥LLC的电路结构

谐振单元的输入侧电路由开关管S1，S2构成半桥逆变电路，其输出电压UA是带有直流分量0.5Vin的矩形波，该直流分量由谐振电容Cr承担，即具有隔直功能；实际电感Lr与Lm分别与变压器原边绕组串联与并联，实际的变换器中可以采用变压器的漏感与自感分别实现。

两个谐振频率

一个是谐振电感Lr和谐振电容Cr的谐振频率fr1,另一个是谐振电感Lr与Lm 串联后和谐振电容Cr的谐振频率fr2,两个谐振频率分别为

工作模态进行分析

一.fr2<f<fr1

从波形图中可以看出谐振电容上的电压Vcr,流过谐振电容的电流ir,电容上面的电压滞后电流的相位。

1.t0-t1

t0-t1时间，Q1已经开通，这段时间谐振电流ir<0，ir流过Q1寄生二极管D1，此时Q1被二极管导通钳位，给其栅极驱动信号，可以满足零电压开通。

这段时间，流过励磁电感Lm的电流ilm大于谐振电流ir（波形中可以看出），所以谐振电流ir从小于零到零的这段时间，是励磁电感向次级传递能量。

t0-t1时间，Q1开通，输入电压Vin加在谐振腔的两端，谐振电流继续上升，此时是反方向减小；Lm的一部分电流流经原边线圈向次级传递能量，电流方向从上到下，由电磁感应可知，次级同名端为“+”，副边DR1导通，此时副边电压即为输出电压。则原边经过变压器被次级反射电压钳位，电压为（np*Vo）/ns，即电感Lm被次级反射电压钳位，电流线性上升。此时原边Cr和Lr两个谐振，Lm不参与谐振。

2.t1-t2

在t1-t2，这段时间，Q1已经导通，谐振电流ir以近似正弦规律变化，谐振电感Lm仍被副边电压钳位，励磁电流ilm线性上升。

由波形图可知，这段时间，谐振电流ir大于励磁电流ilm，所以，是谐振电流向次级传递能量，谐振电流的大小等于励磁电感电流大小加上流经初级线圈电流的大小。

流经初级线圈电流的方向仍是从上到下，副边DR1继续导通，Lm仍被副边电压钳位，不参与谐振。上管Q1导通，此时A点的对地电位是Vin,即下管Q2的寄生电容Cds2的两端电压也为Vin，寄生电容Cds2充电存储能量。

3.t2-t3

在t1-t2时间内，谐振电流和励磁电流都上升，t2时刻，两个电流相等，即ir=ilm,

所以没有电流流经原边线圈，没有能量向次级传递，次级由输出电容提供能量。需要注意的是，次级的二极管电流是自然到零截止的，并不是加反向电压，所以此时二极管实现了零电流关断。

由于副边线圈电压为零，映射到初级的电压也是零，即此时励磁电感Lm不受电压钳位，Lm，Lr,Cr三者参与谐振，Lm的感量比较大，即谐振频率小，谐振周期大，经历的时间又非常短，通常我们近似认为，这段时间流经励磁电感的电流是不变的。

4.t3-t4

t3时刻，Q1关断，进入死区区间,电感Lm的电流不能突变，电流经Lm，Q2的寄生电容Cds2，Cr，Lr，Lm形成回路，Q1关断之前，A点的电位为Vin，电流流经Q2的寄生电容Cds2，即寄生电容Cds2放电，A点电压下降，此时Q1的寄生电容Cds1两端电压变化（上端是输入电压Vin，下端即A点由Vin降低）。寄生电容Cds2放电为Q2的零电压开通提供条件。

t4时刻，谐振电流过零开始反向。t3-t4这段时间内，励磁电感Lm的电流大于谐振电流ir,谐振电流ilm流过原边线圈回到Lm形成回路2向次级传递能量。

这段时间，次级有能量输入，次级线圈的电压映射到初级线圈，Lm是被钳位，不参与谐振，但这段时间的次级能量是由励磁电感向后级传递的。

t3时刻,副边二极管DR2导通，在此时刻以后t4时刻之前，即谐振电流ir还未反向的时段，此时是Q2的寄生二极管D2导通续流，即Q2被钳位，此时开通开关管可以实现零电压开通。