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开关电源LLC/LCC

工程师
2024-05-20 20:42:03     打赏

开关电源中的LLC和LCC是两种不同的调制转换器(Modulated Converter)技术,各自具有不同的特点和应用场景。

LLC电路是一种通过控制开关频率(频率调节)来实现输出电压恒定的谐振电路。它适用于对输出功率规模较大,电路复杂的电源系统。

LLC电路具有低成本、可靠性高、EMI性能良好等特点。它的电源利用率高,能够实现功率开关零电压启动(ZVS)和零电流关断(ZCS),从而有效的优化电路架构,提高效率和功率密度,降低电源的开关损耗。在一般的开关电路设计中,LLC电路通常都会与PFC电路一起使用,以减小高压滤波电容的容量,减小元器件用量、产品体积,提高功率密度。LLC电路在电源转换器应用领域得到了广泛的应用,逆变器、充电器、变频器、电源适配器等,还可以用于电池充电系统、电源管理系统、通信系统、家用电器、汽车电子系统等。

而LCC电路则是通过调节电容电流的方式实现对输出电压的调节,容易控制输出电压,其复杂性比LLC电路较低,适用于较小的输出功率规模。

LCC-LLC变换原理图:

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半桥LLC经典原理图:

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在SRC中,只有在f>f的情况下,MOS才能实现ZVS;而在 LLC中,工作在=fu和fu>fs>f2区域内均能实现ZVS。并且在谐振点处,从空载到负载过程中频率几乎没有变化。

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理解知识:

SRC(Series Resonant Converter,串联谐振转换器)和LLC(LLC Resonant Converter,LLC谐振转换器)是两种不同的谐振转换器拓扑。它们的工作原理和ZVS(零电压开关)的实现条件有所不同。

在SRC中,为了实现ZVS,通常需要在高于谐振频率(f>f₀)的条件下工作。这是因为在高于谐振频率时,谐振电路的阻抗表现为感性,从而有助于实现开关管的零电压开通。

而在LLC谐振转换器中,情况更为复杂。LLC转换器的工作区域可以大致分为三个:

  1. f<f₁:此时,LLC电路工作在容性区域,开关管难以实现ZVS。

  2. f₁<f<f₀:在这个区域内,LLC电路工作在感性区域,且随着负载的增加,开关频率会略有下降。然而,由于LLC电路的特性,即使在谐振点附近(即f接近f₀),从空载到满载的过程中,开关频率的变化也相对较小。这种特性使得LLC转换器在宽负载范围内都能实现高效率和高功率密度。

  3. f>f₀:当开关频率高于谐振频率时,虽然LLC电路仍然可以工作在感性区域并实现ZVS,但此时电路的效率可能会降低,因为谐振电容和谐振电感之间的能量交换不再完全匹配。

在LLC转换器中,为了实现ZVS,通常需要在f₁<f<f₂的区域内工作,其中f₁和f₂是LLC电路的两个特定频率点,与电路的参数(如谐振电容、谐振电感、负载等)有关。在这个区域内,通过适当的控制策略(如调频控制或调占空比控制),可以确保开关管在关断时谐振槽路中存储的磁能足够大,以完成开关管输出电容的充放电,从而实现ZVS。


当二次侧整流二极管导通时,变压器一次电压被输出电压位,因此,加在励磁电感L两端的电压是恒定的。此时电路中只有谐振电感工与谐振电容C参与谐振此为谐振点无:

LLC谐振点FR1:

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当二次侧整流二极管都处于关断状态时,变压器一次电压不再被位,因此励磁电感将与谐振电感串联参与谐振过程,此为谐振点后.

image.pngimage.png

LLC谐振点FR2:

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而在这两个频率之间的工作区间,则是SRC与PRC的混合情况。SRC与PRC共同存在的情况。

src,prc共同存在图:

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实际上,如本章最开始所说,LLC结构出现的时间比较早,但是由于缺少对其特性的理解,它一般作为串联谐振与无源负载使用,这就意味着系统设计时工作频率是高于谐振频率点的(通过LC 谐振腔决定 )。而工作于此区间时,LLC 和 SRC 很相似。所以 LLC的主要优势是轻载时较窄范围的频率变化,以至于空载时都可以实现ZVS既然说到了直流增益特性,所以LLC的直流分析是至关重要的,本章也会从现有的理论和参考资料出发,对 LLC的直流增益进行分析。其上大谈 LLC 的各种优点,但我们必须清楚地认识到事物总是有两面性的。首先,LLC谐振腔元件参数计算比较复杂,难以用简单明了的公式直接算出比较准确的参数:其次,若用集成变压器来设计的话,集成变压器的漏感是用来充当谐振电感的角色,其漏感在批量生产的时候会比较难控制,会造成谐振频率跟设计值偏差较大;若用分立式电感,则需要把主变压器的漏感也考虑进去。此外,LLC采用的是PFM 控制方式,会导致空载时一次电流过大,空耗增加;最后,LLC的动态响应慢短路保护和开机时刻电流应力比较大。










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