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车载充电机OBC电路--LLC谐振设计
作者:潜力变实力 发布时间: 2024-07-10 阅读: 0

LLC含有电感、电容和电阻元件的单口网络,可通过控制开关频率(频率调节)来实现输出电压恒定的谐振,优点是通过软开关技术,可以降低电源的开关损耗,提高功率变换器的效率和功率密度。

LLC有哪些特点?

1. LLC 转换器可以在宽负载范围内实现零电压开关。

2. 能够在输入电压和负载大范围变化的情况下调节输出,同时开关频率变化相对很小。

3. 采用频率控制,上下管的占空比都为50%.

4. 减小次级同步整流MOSFET的电压应力,可以采用更低的电压MOSFET从而减少成本。

5. 无需输出电感,可以进一步降低系统成本。

6. 采用更低电压的同步整流MOSFET, 可以进一步提升效率。空气净化器系统(MOS管实战设计)上


车载充电机OBC电路--LLC谐振设计

LLC半桥

电路中,可控MOS管Q1和Q2串联,组成半桥。每个MOS管,都内置有方向并联二极管、同时在漏极和源极有一个等效电容(其实高频特性下,MOS管的每个引脚之间都有一个等效电容)。电容Cr和电感Lr、和变压器T1的原边电感Lm构成了一个LLC谐振电路。变压器T1的副边,经过二极管D1和二极管D2,整流后得到为负载供电。电容Cout主要起滤波作用。空气净化器系统(MOS管实战设计)下


车载充电机OBC电路--LLC谐振设计

LLC全桥

全桥LLC与半桥LLC的区别:

变压器匝数比比半桥增大一倍;反激开关电源变压器设计及调试

Lr、Lm是半桥的4倍,Cr是半桥的1/4—保证Q值不变;

需要隔离驱动;

变压器匝数变多,线径变小;

MOSFET数量由2个变为4个—在低压大电流时,半桥LLC也需要用4个;都用4个MOSFET时,二者损耗相当;

全桥LLC整体电流应力小;


车载充电机OBC电路--LLC谐振设计

LLC应用

最佳应用:输入高压400V左右,输出50V左右

前级接PFC时,电压较为稳定,多数时间在谐振区附近工作;

MOSFET的Rds适当,驱动难度不大;

电感、变压器便于设计;

二极管可用肖特基二极管;

谐振电容适当。元器件与电磁兼容

磁集成:600W以内

磁芯和变压器骨架难选,但线绕工艺简单;

漏感和励磁电感比例不能精确控制,但影响不大。

高端应用

工频纹波大是一个很突出的问题;

副边同步整流也是一个难点;

工作频率高时增益反转现象。

车载充电机(OBC)产品采用LLC谐振电路,拥有高效率、高功率密度等核心优势。

迪龙新能源专注于车载充电机、车载DC/DC变换器和车载集成一体机的研发、生产与销售,是全球知名的车载电源供应商。

本文就LLC的一些关键问题做了解答,如LLC为何要工作在感性区域,以及LLC分体谐振电容有什么优缺点等。

一、LLC为何要工作在感性区域?

任何一个网络都是呈现感性、容性和纯阻性三种状态,对于LLC网络而言同样存在以上三种状态,根据输入及负载变化由容性阻性感性而变化。

工作在纯阻性区域是我们理想的工作状态,因为阻性网络的品质因素最高,网络特性最好;

工作在容性区域的话电流超前于电压,对于前级开关管而言容易实现ZCS关断,这个区域比较适合IGBT;

工作在感性区域的话电压超前于电流,对于前级开关管而言容易实现ZVS开通,这个区域比较适合MOSFET;

对于中小功率电源而言普遍使用MOSFET,因此常规LLC拓扑开关电源选择工作于感性区域。

二、ZVS1和ZVS2各有什么优缺点,如何选择?

LLC网络存在两个电感一个电容,也就是说存在两个谐振点,一个是Lr和Cr的谐振点,另一个谐振点由Lm,Cr以及负载条件决定。负载加重,谐振频率将会升高。

在整个感性区域都能实现ZVS,在ZVS1区不能实现次级整流管的ZCS关断,存在反向恢复问题;在ZVS2区可以实现次级整流管的ZCS关断,不存在反向恢复问题。

因此对于选择网络工作于ZVS1还是ZVS2区域有不同看法。

从理论上来讲工作于ZVS2区域效率高于ZVS1区,越接近于谐振点的工作点效率越高,同时兼顾短路性能等问题,建议工作点选择略大于谐振点(基于LLC短路问题靠增加频率来提高网络的等效阻抗来保护这一特性)。

三、LLC初级MOSFET是ZVS关断还是ZCS关断?

LLC工作在感性区域,因此开通是ZVS,但关断既不是ZVS也不是ZCS,是硬开关关断,损耗不可避免,但对于MOSFET而言,开通损耗相对关断损耗大很多,对于LLC的ZVS而言是指开通时刻的ZVS,因此可以大大降低开关损耗。

四、为何计算LLC匝比的时候要用母线电压的一半?

我们计算反激或者正激电路时都是使用母线电压来设计匝比,但是LLC为何只使用母线电压的一半来计算匝比呢?

在LLC上管开通的半个周期内母线给LLC网络输入能量,这个能量一部分直接传递给输出,另一部分储存在网络内,在下管开通的半个周期内,依靠谐振电容和谐振电感输出能量。

所以只有上半个周期母线给网络输入了能量,即时间的利用率是一半,等效于输入电压的利用率为1/2。

五、LLC分体谐振电容有什么优缺点?

LLC半桥谐振电路中,根据这个谐振电容的不同联结方式,典型LLC谐振电路有两种连接方式,不同之处在于LLC谐振腔的连接。

左图采用单谐振电容Cr,其输入电流纹波和电流有效值较高,但布线简单,成本相对较低;

右图采用分体谐振电容C1、C2,其输入电流纹波和电流有效值较低,C1和C2上分别只流过一半的有效值电流,且电容量仅为左图单谐振电容的一半。

比较而言,分体谐振优势不大。

六、LLC独立谐振电感和集成谐振电感各有什么优缺点?

先说说集成谐振电感的方式,这种方式是利用变压器初级漏感来做谐振电感的,优点是体积小、成本低,缺点是漏感很难控制,和变压器绕法,初级匝数存在着紧密的联系,因此谐振参数不好调节,性能难做到最优。

独立谐振电感的方式是通过外置一个谐振电感,同时控制主变压器的漏感在很小的范围内,这样做的优点是容易调节谐振电感与励磁电感低比例,优化起来更灵活,容易调节到一个理想状态,缺点是增加了一个谐振电感增加体积,布线难度和成本增加。

因此一般功率较小的电源都更愿意使用集成谐振电感,成本相对较低,性能要求不是很苛刻;功率大的更愿意使用外置谐振电感,性能容易优化。

七、LLC的开关管能否直接并联?

弥勒电容Cgd对于MOSFET而言是寄生于栅极和漏极之间的电容,对于硬开关电路而言,驱动电流对Cgs和Cgd充电,并且开始开通,而在开通过程中,Vds电压下降,所以Cgd开始放电,故此时需较大的驱动电流要对Cgd充电,这会导致驱动电压波形出现一个短暂的平台,所谓的米勒平台。

关断的时候,DS电压急剧上升,DG电容会流过电流对GS电容充电,引起二次导通。

要消除开通时刻的弥勒效应,在开关管即将开通的时刻DS电压为零,即ZVS。

LLC电源的优点包括:

低成本、高可靠性:LLC电路因其设计和制造工艺,能够在保证性能的同时提供较低的成本和较高的可靠性

EMI性能良好:由于其独特的结构和设计,LLC电源具有良好的电磁干扰(EMI)性能。

功率密度高:在开关电路设计中,LLC电路通常与PFC电路结合使用,这样可以减小高压滤波电容的容量,减少元器件用量,并提高功率密度。

高效率:LLC架构的工作频率高,损耗小,使得其在高频和高功率密度设计中表现出色。

体积小:LLC架构的设计使其在相同功率下相比其他技术拥有更小的体积。

适用于多种应用:无论是固定电压输出的场合还是多路输出的大功率快充设备,LLC架构都能找到合适的应用场景。

易于集成:由于其模块化的设计,LLC电源可以方便地进行集成,简化系统设计。

良好的温度稳定性:LLC电源在实际应用中表现出的温度稳定性较好,有助于维持稳定的工作效率。

支持GaN开关元件:随着碳化硅二极管的普及,LLC架构配合GaN开关元件可以有效降低驱动开销,进一步提升效率和工作频率。