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  • 在分析该变换器工作原理基础上,研究了其工作特性,进行了对主开关管实现ZCS条件的讨论和对电流占空比丢失的分析,并且基于Saber仿真软件对该电路进行了仿真验证。结果验证了电路分析的正确性和设计的可行性。
  • 摘要 介绍了LLC串连谐振半桥变换器工作原理,以及在LCD TV电源中的应用实例,总结了LLC串联谐振半桥变换器电路的设计要点及优缺点。 关键词 LLC串连谐振半桥变换器;ZVS;效率;EMI;交调   1.引言

    此文是09年评工程师职称写的论文,也是自己实际开发的项目,论文是自己花了大量时间写的。


    LLC串连谐振半桥变换器在LCD TV电源中的应用


    摘要  介绍了LLC串连谐振半桥变换器的工作原理,以及在LCD TV电源中的应用实例,总结了LLC串联谐振半桥变换器电路的设计要点及优缺点。

    关键词 LLC串连谐振半桥变换器;ZVS;效率;EMI;交调

     

    1.引言

    液晶电视(LCD TV)由于其高分辨率的画面和薄型化的结构受到广大用户的欢迎,并且其价格不断下降,使它正逐步取代传统的显象管(CRT)电视。但由于LCD TV薄型化的需要,对其内置电源提出了比较高的要求:效率高、体积小、干扰小,特别是对于大尺寸(42寸及以上)的LCD TV,功率大,用传统的反激或正激电路要同时满足这些要求是比较吃力的。LLC串连谐振半桥变换器因其开关管工作在零电压开关(ZVS)模式下,电路效率高,电磁干扰(EMI)小,因此特别适合应用在LCDTV电源中。另外,LCD TV电源一般为多路输出,而LLC电路的多路输出负载交叉调整(交调)特性要明显优于正激、反激等电路,因此优异的交调特性也是在LCD TV电源中应用LLC电路的实用优点之一。

     

    2.系统结构

    LCD TV电源的系统框图如图1所示,主要由EMI滤波模块、整流模块、PFC模块、DC/DC(隔离)变换模块和待机电源(隔离)模块组成,本文所要介绍的LLC串连谐振半桥变换器就是应用在DC/DC(隔离)变换模块电路部分的。


    图1  LCD TV电源系统框图

     

    LLC电路在此实现的功能是将PFC电路输出的400V直流电压转换为24V、12V、5.5V直流电压,并且满足输入、输出间安全隔离的要求,此电路的电路结构图如图2所示(为了方便电路原理的分析,此电路结构图为单路电压输出结构)


    图2  LC电路结构图

     

    图中Vin为输入电压,Vout为输出电压,Q1、Q2为半桥电路的开关管,Lr、Lm和Cr组成LLC谐振电路,变压器次级经全波整流、滤波后获得直流输出电压。

     

    3.工作原理

    3.1  工作波形分析

    LLC电路的工作电压、电流波形如图3所示。图中ILr为ILm与INp之和。

     

      图3  LLC电路工作电压、电流波形图

     

    t0~t1:Q2关断,变压器初级只有励磁电流ILm流过,谐振电感Lr的续流电流(等于ILm)给上桥臂Q1 DS端的寄生电容放电,给下桥臂Q2DS端的寄生电容充电,VDS2电压上升,次级二极管D1、D2均截止。

    t1~t2:VDS2电压上升到Vin+0.7V(假设Q1体二极管的导通压降为0.7V),Q1的体内二极管导通。t0~t2为Q1、Q2的死区时间。

    t2~t3:Q1零电压导通,流经Q1的电流由体二极管切换到MOS沟道。Q1导通后,谐振电感Lr的电流反向减小后又正向增大,二极管D1导通,且由于Lr、Cr的谐振,Lr和D1电流波形呈正弦波特征。

    t3~t4:随着Lr、Cr的谐振,变压器Ns1两端电压减小到不足以使二极管D1导通,D1电流减小到0,变压器初级只有励磁电流ILm流过。

    t4~t5:Q1关断,谐振电感Lr的续流电流(等于ILm)给上桥臂Q1 DS端寄生电容充电,给下桥臂Q2 DS端寄生电容放电,VDS2电压下降。

    t5~t6:VDS2电压下降到-0.7V(假设Q2体二极管的导通压降为0.7V), Q2的体内二极管导通。t4~t6为Q1、Q2的死区时间。

    t6~t7:Q2零电压导通,流经Q1的电流由体二极管切换到MOS沟道。Q2导通后,谐振电感Lr的电流正向减小后又反向增大,二极管D2导通,且由于Lr、Cr的谐振,Lr和D2电流波形呈正弦波特征。

    t7~t8:随着Lr、Cr的谐振,变压器Ns2两端电压减小到不足以使二极管D2导通,D2电流减小到0,变压器初级只有励磁电流ILm流过。

    由以上分析可知,开关管Q1、Q2导通时其DS两端电压均接近于0,而开关管关断时是容性关断的,因此开关管工作在零电压开关(ZVS)模式下。在传统的PWM硬开关变换器中,开关管的开通损耗占总的开关损耗的绝大部分,而LLC变换器的开通损耗几乎等于零。因此LLC变换器比PWM硬开关变换器的损耗更小,效率更高;另外,变换器的次级整流二极管工作在零电流开关(ZCS)状态下,对二极管恢复时间的要求不高,且在提高变换器效率方面有一定的贡献。在电磁干扰(EMI)方面,由于初级开关管工作在ZVS状态下,次级二极管工作在ZCS状态下,dv/dt和di/dt的数值比PWM硬开关变换器的数值要小得多,而dv/dt和di/dt的数值越大,EMI越强,因此LLC变换器的EMI比PWM硬开关变换器的要小得多。

     

    3.2  LLC变换器的工作区域

    LLC串连谐振半桥变换器的工作原理与传统的PWM变换器的工作原理完全不同,它始终工作在50%占空比的状态下,通过改变工作频率来改变变换器的增益,从而实现在不同负载和不同输入电压的情况下保持输出电压恒定,它是一种PFM变换器。LLC谐振回路的等效电路如图4所示,其电压增益曲线如图5所示。



    图4  LLC谐振回路等效电路

     


    图5  LLC电压增益曲线(此图摘自参考文献1)

     

    图5中横坐标为归一化频率f/fr1,纵坐标为电压增益,其中

     

    由图5可知,LLC谐振变换器存在fr1和fr2两个谐振频率,而且当工作频率f大于谐振频率fr1时,不管负载大小,变换器都工作在ZVS状态下;当f介于fr1与fr2之间时,得视负载大小来判断变换器是工作在ZVS还是ZCS状态下;当f小于fr2时,变换器都工作在ZCS状态下(图5中所标的fr2为Q=0.39811时的fr2,其他Q值对应的fr2点位置均不相同)。在实际应用中一般都是让变换器工作在ZVS区域,以获得高效率,第2.1节所介绍的工作波形就是工作在fr1与fr2之间的ZVS区域的工作波形。当变换器工作频率f大于fr1时,ILr和ILm波形如图6所示。在此种状态下,没有了图4所示的t3~t4时间段,而且次级二极管电流在t5时刻才减小到0,图7是次级二极管D1、D2电流的叠加图

    图6  f>fr1时ILr及ILm波形(此图摘自参考文献1)

     

    图7  f>fr1时ID1与ID2叠加波形(此图摘自参考文献1)

    在实际应用中一般使变换器在重负载状态下工作在频率介于fr1和fr2之间的ZVS区域或fr2附近的区域,而在轻负载状态下工作在频率大于fr1的区域,另外,还需要避免变换器工作在ZCS区域,因为在ZVS区域,增益随频率的增大而减小,变换器工作在负反馈环路系统中,而在ZCS区域,增益随频率的增大而增大,变换器工作在正反馈环路系统中,系统将无法稳定工作。

     

    4.设计实例

    根据以上原理,设计了一个LLC变换器,输入、输出参数为:输入:400VDC;输出:1、24VDC/8A;2、12VDC/3A;3、5.5VDC/4A。变压器采用EC39L双槽变压器:初级电感量Lp=800uH,漏感Lr=160uH,初级匝数Np=40,次级匝数分别为4(24VDC)、2(12VDC)、1(5.5VDC)。

    Cr=33nF,fr1=69KHz,fr2=31KHz,满载时工作频率约为55 KHz。

    变换器在满载状态下所测得的数据见下表

    输入

    输出1

    输出2

    输出3

    电压(V)

    396

    24.1

    11.96

    5.45

    电流(A)

    0.676

    7.998

    2.998

    3.997

    因此,效率η=(24.1x7.998+11.96x2.998+5.45x3.997)/(396x0.676)=93.5%

    交调特性:由于变换器是单独采样输出1的电压作为反馈信号的,因此测试变换器的交调特性就采用输出1(主路)与输出2(辅路)和输出3(辅路)的不同负载来进行对比,数据见下表

    输出1(V/A)

    输出2(V/A)

    输出3(V/A)

    主路满载,辅路空载

    24.1/8

    13.07/0

    6.38/0

    主路空载,辅路满载

    24.1/0

    11.09/3

    5.10/4

    主路90%负载,辅路10%负载

    24.1/7.2

    12.54/0.3

    6.06/0.4

    主路10%负载,辅路90%负载

    24.1/0.8

    11.53/2.7

    5.34/3.6

    各路均满载

    24.1/8

    11.96/3

    5.45/4

    各路均50%负载

    24.1/4

    12.00/1.5

    5.67/2

    各路均空载

    24.1/0

    12.18/0

    5.93/0

    由以上两表的数据可看出,LLC变换器有着较高的转换效率及较好的负载交叉调整率

     

    5.结语

    详细分析了LLC串连谐振变换器的工作原理,并设计出实际应用电路,从测试所得的数据可明显体现LLC串连谐振变换器的高效率、优越的负载交调特性,因而将LLC串连谐振变换器应用在要求高效率、低电磁干扰、多路输出的LCD TV电源中是非常适合的,具有广泛的应用前景。

     

    参考文献

    [1]  Bo Yang。LLCResonant Converter

    [2]  王聪。软开关功率变换器及其应用。北京:科学出版社,2000。

    [3]  张占松,蔡宣三。开关电源的原理与设计。北京:电子工业出版社,2005。

     


    展开全文
  • 在PWM和电子镇流器当中,半桥电路发挥着重要的作用。... 首先我们先来了解一下半桥电路的基本拓扑: 电容器C1和C2与开关管Q1、Q2组成桥,桥的对角线接变压器T1的原边绕组,故称半桥变换器。如果...

     在PWM和电子镇流器当中,半桥电路发挥着重要的作用。半桥电路由两个功率开关器件组成,它们以图腾柱的形式连接在一起,并进行输出,提供方波信号。本篇文章将为大家介绍半桥电路的工作原理,以及半桥电路当中应该注意的一些问题,希望能够帮助电源新手们更快的理解半桥电路。

    首先我们先来了解一下半桥电路的基本拓扑:

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    电容器C1和C2与开关管Q1、Q2组成桥,桥的对角线接变压器T1的原边绕组,故称半桥变换器。如果此时C1=C2,那么当某一开关管导通时,绕组上的电压只有电源电压的一半。

    半桥电路概念的引入及其工作原理

    电路的工作过程大致如下:

    参照半桥电路的基本拓扑电路图,其中Q1开通,Q2关断,此时变压器两端所加的电压为母线电压的一半,同时能量由原边向副边传递。

    Q1关断,Q2关断,此时变压器副边两个绕组由于整流二极管两个管子同时续流而处于短路状态,原边绕组也相当于短路状态。

    Q1关断,Q2开通。此时变压器两端所加的电压也基本上是母线电压的一半,同时能量由原边向副边传递。副边两个二极管完成换流。

    半桥电路中应该注意的几点问题

    偏磁问题

    原因:由于两个电容连接点A的电位是随Q1、Q2导通情况而浮动的,所以能够自动的平衡每个晶体管开关的伏秒值,当浮动不满足要求时,假设Q1、Q2具有不同的开关特性,即在相同的基极脉冲宽度t=t1下,Q1关断较慢,Q2关断较快,则对B点的电压就会有影响,就会有有灰色面积中A1、A2的不平衡伏秒值,原因就是Q1关断延迟。

    如果要这种不平衡的波形驱动变压器,将会发生偏磁现象,致使铁心饱和并产生过大的晶体管集电极电流,从而降低了变换器的效率,使晶体管失控,甚至烧毁。

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    在变压器原边串联一个电容的工作波形图

    解决办法:在变压器原边线圈中加一个串联电容C3,则与不平衡的伏秒值成正比的直流偏压将被次电容滤掉,这样在晶体管导通期间,就会平衡电压的伏秒值,达到消除偏磁的目的。

      用作桥臂的两个电容选用问题:

    从半桥电路结构上看,选用桥臂上的两个电容C1、C2时需要考虑电容的均压问题,尽量选用C1=C2的电容,那么当某一开关管导通时,绕组上的电压只有电源电压的一半,达到均压效果,一般情况下,还要在两个电容两端各并联一个电阻(原理图中的R1和R2)并且R1=R2进一步满足要求,此时在选择阻值和功率时需要注意降额。此时,电容C1、C2的作用就是用来自动平衡每个开关管的伏秒值,(与C3的区别:C3是滤去影响伏秒平衡的直流分量)。

    直通问题:

    所谓直通,就是Q1、Q2在某一时刻同时导通的现象,此时会构成短路。

    解决措施:

    可以对驱动脉冲宽度的最大值加以限制,使导通角度不会产生直通。

    还可以从拓扑上解决问题,才用交叉耦合封闭电路,使一管子导通时,另一管子驱动在封闭状态,直到前一个管子关断,封闭才取消,后管才有导通的可能,这种自动封锁对存储时间、参数分布有自动适应的优点,而且对占空比可以满度使用的。

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    副边为全波电路

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    副边为全桥电路

    两个电路的选择主要是考虑以下两点:

    1、根据输出电压的高低,考虑管子的安全问题;

    2、功率损耗的问题,主要是开关管和副边绕组的损耗问题;

    半桥电路的驱动问题:

    1、原边线圈过负载限制:要给原边的功率管提供独立的电流限制;

    2、软启动:启动时,要限制脉宽,使得脉宽在启动的最初若干个周期中慢慢上升;

    3、磁的控制:控制晶体管驱动脉冲宽度相等,要使正反磁通相等,不产生偏磁;

    4、防止直通:要控制占空比上限缩小;

    5、电压的控制和隔离:电路要闭环控制,隔离可以是光电隔离器、变压器或磁放大器等;

    6、过压保护:通常是封闭变换器的开关脉冲以进行过压保护;

    7、电流限制:电流限制安装在输入或输出回路上,在发生短路时候起作用;

    8、输入电压过低保护:规定只有在发挥良好性能的足够高的电压下才能启动;

    9、此外,还要有合适的辅助功能:如浪涌电流限制和输出滤波环节等。

    半桥电路的驱动特点:

    1、上下桥臂不共地,即原边电路的开关管不共地。

    2、隔离驱动。

    本篇文章几乎将半桥电路的大部分基础知识都进行了总结和归纳。难得的是,还对半桥电路当中出现的问题进行了详尽的分析,并给出了相应的解决方案。希望大家能够全面掌握这些知识,从而为自己的设计生涯打好坚实的基础。

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  • LLC谐振半桥工作原理

    2013-01-03 09:40:51
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    单端反激变换器的很重要的特色是变压器充当了电感的作用,即在开关开通时变压器储能,开关关断时变压器将能量释放到副边,因此单端反激变换器的变压器工作在电感类型的工作区,在功率过大时变压器储能也大造成其负荷太重,但并不是说不能工作在100W以上,更不会有100W左右可靠性比正激更好的说法,只是在电源设计中是否合算的问题,而且单端反激变换器在多输出时的电压调整率不如正激.
       对于经常烧管子的问题,一是看选择的Mosfet的耐压定额够否:反激变换器的开关管的最大电压是输入电压加上输出电压与变比的乘积,考虑到漏感影响,电压定额要比这个值大至少20%(当然看漏感的大小和Clamp电路或Snubber的性能了);二看变压器设计的工作点要求远离饱和区,而且要留足够的裕量,在严重的情况下(最大占空比时)不至于饱和.
        只要计算正确,设计合理,出现这种问题的机会就比较少,所以一定要先在理论上把握住精髓,掌握必要的知识,在加上多学习多动手多思考,各种问题都会解决的.
     
    其实看正激还是反激很简单
    在电路上的区别主要有两点:
    1.看次级何时导通--次级一般接有二极管之类的单向导通器件,   在初级通时,次级可以导通,是正激的表现;在初级导通时,次级不导通,则时反激的表现
    2.看初级有没有为反激准备的回路--反激变换器在晶体管关闭时发生能量转换,由磁能变为电能,所以,一定要有电流流动的回路,没有回路则不可能是反激.

    反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源,与之对应的有正激式开关电源。
      “反激”(FLY BACK)具体所指当开关管接通时,输出变压器充当电感,电能转化为磁能,此时输出回路无电流;相反,当开关管判断时,输出变压器释放能量, 磁能转化为电能,输出回路中有电流。
      反激式开关电源中,输出变压器同时充当储能电感,整个电源体积小、结构简单,所以得到广泛应用。应用最多的是单端反激式开关电源。
       优点:元器件少,电路简单,成本低,体积小,可同时输出多路互相隔离的电压
       缺点:开关管承受电压高,输出变压器利用率低,不适合作大功率电源
      一般而言,100W以内的开关电源通常采用单端返激式,超过100W-300W的开关电源通常采用正激式或半桥式,300W以上电源通常采用全桥式。
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  • 详细分析了两级交错并联Boost PFC和半桥LLC谐振变换器工作原理,采用基波分析方法(First Harmonic Approximation,FHA)对LLC谐振网络进行了建模,并在此基础上确定了开关频率的范围及最优工作区间,仿真并实验验证...
  • 分析了Buck PFC 电路的工作原理、开关管工作频率和电容值的大小,同时理论和仿真分析了半桥电路的工作原理和参数值的选择。最后通过实验验证了该电路拓扑结构能提高功率因数。该电路拓扑结构能克服传统整流电路由于...
  • 而转换器是开关电源中最重要的组成部分,转换器有5种基本类型:单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。在所有的DC/DC隔离变换器中,正激变换器是低电压大电流功率变换器的首选拓扑结构。由于正激...

空空如也

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半桥变换器工作原理