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学习开关电源,我们从基本的非隔离拓扑学起,最终会来到LLC的软开关拓扑,LLC需要的基础知识比较多,很多入门者都觉得比较难,是很多人的拦路虎,包括做了很多年设计的老手,不是很理解,或者理解的不够深刻,很多同学也包括我自己,也是看了大量的书籍和文献,确实需要很多基础知识。

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电源四大金刚

得益于现在LLC已在各行各业全面普及,已很容易通过各种资料掌握。感谢当年清华杨波博士8年的研究,才有了现在的各种普及。感谢后来者的不断栽树,才有后来者的绿树成荫,

LLC的基础知识:

1、LLC的拓扑的状态分析,实际就是解释不同时间内,谐振腔电压电流与励磁电压电流的关系,分多个状态,我们一开始大体了解下,如想弄得很细,最好通过matlab的仿真进行分析,开环的,观察。有需要仿真文件的,也可以问我要,模型观察就比较简单,就像一个人的身体运行规律。很多教科书上来就讲这个,容易看不懂,实际上来不需要弄的这么清楚了,做出来再观察,可能会更好理解。

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LLC

2、LLC如何实现原边MOS ZVS,副边整流管的ZCS//谐振腔成感性是核心。

3、LC的串并联谐振,电路原理,电感特性和电容特性的互补,一个是电流不能突变,一个是电压不能突变,都有原则;那外部变化时,就振荡起来,基础知识参考大学的LC电路原理。

4、设计LLC的本质:解方程,如何在一个窄范围的PFC电压(380V~400V额定~420V),让额定接近谐振频点工作效率最高,如我们选择额定输入400V条件下,工作在fr=100k;其他条件,通过调整源的开关频率,改变谐振腔的分压比,使得闭环输出稳定;如高压空载时工作在限定最高频率,低压满载工作在某一相对较低的开关频率;在这个范围内调整频率使得增益反向改变,电压低了就调高增益,电压高了就调低增益;

5、变压器的理想模型和等效模型;变压器和电感磁集成,小功率LLC,要弄清楚变压器理想模型和等效模型之间关系;

正所谓磁集成技术,就是将多个电感、变压器绕在一个磁芯上;再通俗一点,就是把电感集成在变压器之中。主要的目的有:

最直观得益于这项技术的感受,莫过于手里体积越来越小的手机充电器和电脑充电器。而随着氮化镓GaN半导体的出现,开关频率可达到MHz级别,使得PCB变压器成为可能。

理想变压器并不存在,任何一个变压器都有漏电感,应用最为广泛的变压器T型等效模型中,也对漏电感进行了建模。

大多数情况,我们希望这个漏感足够小,但在有些情况我们需要利用这个漏感,如果这个漏感的特性和我们所需要的电感相同,也就完成了电感在变压器中集成。在某些情况,尤其是谐振变换器的应用中,电感需要精确设计,而在磁集成变压器中,则转变为对漏电感的精确控制。

有这么个框架,你再来去看就容易些了;

我们一一介绍下LLC设计基础:

1、 MOS 8大损耗:截止,开通,关断,泄放,驱动,二极管反向恢复,啥叫ZVS?

原边LLC降低的是开通损耗,ZVS,也就是没导通之前利用谐振腔感性电流超前特性,将MOS电容抽到0电压,之后发驱动导通;驱动来之前,DS为0为ZVS,用LLC谐振腔看就是电流为负,会使得上管从S到D,实现开通ZVS

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2、谐振有两个谐振点?啥时候有,谐振腔:有激磁电感LP,谐振电感LS,当LP被副边电容潜位时,是Ls和Cr谐振;当副边D1和D2断开时,是LP和LS的串联和Cr谐振,所以有两个谐振频率点,一个低,一个高,绝大部分工作时间段在高频谐振点,发生变化时为谐振电流和励磁电流相等时;

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3、为什么等效,不等效研究不下去,等效更简单,

等效基波分析法,半桥中间节点VS实际为开关波形,为输入电压一般的方波,但是我们采用等效的基波正玄波替代

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FHA

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归一化

这样就可以等效为一个谐振腔体的阻抗,进而将副边折算到原边归一化为谐振腔的研究

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4、最终简化研究,研究的是VS的频率和VP的分压关系;这个增益与很多因素有关系(f,fr频率,负载Q,LS,Lr,cP有关系)

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关系太多,不利于研究,归一化为三个参数 K,X,Q,知道这三个参数就知道如上6个参数,降维思维。

画出其归一化曲线,我们的输入输出电压范围知道,我们知道最大增益和最小增益两个范围,我们就知道垂直方向的范围,水平方向的频率范围,我们知道空载为最高频率,低压满载有个频率,我们处于感性区,有个最大的Q值,这时有个最小开关频率保证感性区2,一般高压空载在1区,一般处在2区,当然有些设计让始终在2区,有综合考虑,如环路设计,这里就像断续,临界,连续三个区域一样;

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5、归一化了,还是不是唯一的对应关系,还是比较负责,如何降到1个未知量的增益关系?

虽然简化6个参数为K,X,Q,3个参数,仍然不能确定工作点,还得研究K和Q的影响,K取啥,确定个范围,Q确定个范围,然后就定出来X了;

K值越大,损耗 越小,但是频率变换范围太大;希望频率调整变换不大,损耗小,所以3~6

K定了之后,Q尽量取大,提高效率,所以有个Qmax确定

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Qmax代表着什么,就是满载最大的比值,这时谐振腔体为感性,如何是感性,我们要找临界点,临界点成立,找到最大的Q值

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Q最大值对应的K和频率X表达清楚了,那我们就可以将K固定,将Q和K变为已知量,降为只有X和G的函数表达,很容易求出对应的Gmax(Xmin)关系,

最高频率对应高压 Gmin 空载对应:

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6、所以总体来看:公式就这几个公式设计参数,这就是解的参数。所以LLC就是等效降维解方程

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7、约束条件?

当然,我们还得考虑实际谐振电流能将Q1,Q2和变压器寄生电容抽干,满足ZVS条件,IM为死区的谐振电流值,要大于CUmax/td,如验证不满足,减小K值,或者减小Q值调整,还是刚才那几个公式,列个EXCEL直到这个约束条件满足。

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至此谐振腔体参数LP,LS,Cr值确定下来了,一般是Cr是电容并联,是固定值,通过列出excel表格,修正Q减小,或者调整K值,取到正合适的容量;

8、接着计算管子的电压和有效值电流,选择初级和次级二极管的型号,谐振电容650V的,这块高压输入,电容容量越大,电压降额越好,所以要反算调整;

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9、输出电容约为0.48 IO,一般按照0.5倍输出电流去选择电容个数(N*耐受的纹波电流);

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10、变压器:AP定磁芯尺寸,低压最小频率时计算,计算匝数比,计算原边匝数,副边匝数,副边取整;

变压器设计,小功率磁集成,大功率的电感外置;

11、变压器的理想模型和LLC的关系,所以我们计算出来的N

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原因如下,等效就是观察角度不同的转换:

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了解可能的绕线磁集成方案

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磁集成