LLC谐振电路主要参数设计.docx
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LLC谐振电路主要参数设计
在LED大功率驱动电源中,LLC电路应用最为广泛,因该电路有如下优点:
1.具有零电压开关特性,避免了开关损耗,使效率得以提升
2.由于没有开关损耗开关频率可以提高,从而可以减小磁性元件的体积,同时也可以减小滤波电容的容量,与普通半桥相比减少了输岀滤波电感,其谐振电感可以利用变压器的漏感来承担•成本减少了
在LED大功率驱动领域,LLC电路在性价比方面来讲是很好的一个拓扑,但对于刚刚进入该领域的工程师来讲,要掌握其设计方法还是有一定的难度.
LLC电路分析
LLC电路实际上是工作在零电压开通状态,从而减小了开关管的开关损耗。
要使开关管零电压导通,必须使开关管在截止期间DS间的寄生电容复位
(即电容电压归零)。
使开关管DS间电容电压复位,在开关管截止期间其所在回路要保持有电流存在,这个电流就要电感器件来保持,也就是说要让开关管零电压开通的必要条件是其工作的回路为感性。
on煤
LLC电路分析
式中包含着电路的具体参数.对我们的分析会带来一些困扰.设
KlLJL"Kf=f/fnQ=2n匚皿fR/2nLrCr
将图1的电路简化为图2所示,并用基波等效分析法得岀
Vs=(2/h)V£Xsin(2nft).
Re=8n2RL/n2
将
(1)是可以转换为
(2)式的形式,下面可以分别讨论KLKf.Q对M影响
(2)
该电路的输入到输岀的电压增益可以表示为
图3位为LLC电路的增益曲线,横坐标表示工作频率的变化,纵坐标表示增义的变化,那么LLC应当工作在该曲线的〃感性"区域还是"容性"区域呢?
答案是应当工作在"容性"区,也就是该曲线随频率増加而下降的区域
图中对应0=601"
岂Ifl位負♦大干■哀示iKRtt为•性・勺相位角。
小千零宸示为客性・蚩栖位角♦力*聚示为代絶厲戏尬0曲ttx«±sitnffi中矗岀muuo愉入m恢之比
LLC电路分析
•在下面的表达式中
•M二IZ。
IeJ*20/IZinl©J*zin=IZol/IZinleJ(*zo"*zin)
•IZole^o=j2nfLB//Rc,—定为感性,所以札。
大于
•
•看也。
一札5<0时,即M工作在〃容性'区谐振回路阻抗相位4)抽>札。
>0,即阻抗回路工作在感性区,符合该回路的开关豁件零电压开关条件.
•当负载加大时,即&变小,Q值增大。
从图3还可以看出当Q值増大时,增益的峰詹减小,那么要达到同样的M值,Kf要减小。
反之,当负载减小时,工作频率增大。
•在LED电源的设计中,还会遇到另外一种情况,就是在一款电源的设计中在输出功率不变的情况下,尽量做到比较宽的电流变化范围。
在这种情况下要求Q值和M都在变化。
无论哪种变化,M的值在Q和心一定的情况下都要小于增益的峰值Mp,不然会逬入容性区域。
•根据增益的变化范围,电路会限制一个最大和最小的频率范围。
•电路进入容性阻抗区会有哪些危害:
开关管转为硬开关,增加损耗;电路中的负反馈电路转为正反馈。
LLU电正合力忻
从图4可以看出KL越小z同样的增益变化频率变化范围越小,
这样有利于电路的设计,但KL越小,意味着Lm越小,则励磁电
通损耗也会增加。
随着KL制的増大,相同Q值的峰值增益也在迅速下降,对电路电路容易进入容性区。
从图4同样可以看到,同样的KL值,随着Q值的增加,其增益的峰
值迅速减小,电路工作时容易进入容性区。
图中对应Q二qn二0.1*n
从上面的分析可以看出,KL和Q对增益的贡献互相有影响,为了更加清晰的了解它们之间的关系,我们将峰值增益Mp,KL和Q之间的关系根据式
(2)绘制成曲线如图5所示。
可以利用该图选取适当的心和Q值。
LLC电路分析
•在实际应用中,可以利用图5所示的曲线,来选在适当的心和Q值。
•Q值与负载有关,也与变压器的匝比有关。
Q=2nfrL/ReRe=8n2RL/n2
•在LED电源的设计中,LLC电路的输入电压基本不发生变化。
输出电压变化,说明增益M和Q值都发生了变化;输出电流变化而电压不变时只有Q值发生了变化;或者两者同时在变化是增益M和Q值都发生了变化。
•在设计中怎样选取适当的心九Q和匝比n,下面举例说明。
•输入电压为Vdc二400V
•输出功率P。
二120W
•输出电压最低V°mm=27V(电流4.44A),最高VOmax=54V(电流2.22A)
•工作频率f在70kHz到140kHz之间
•下面分别求出该谐振电路的LmrLr,Cr,变压器的在比n
LLC谐振电路设计
•先求出变压器的匝比
M=Vo*n/(l/2*Vdc)
n二(Vdc/2/Vo)M
当M二1时,n=VdC/2/Vo,由于Vdc不变「V。
有三个值可以选取,Vomin,乞详和(Vomin+Vomax)/2
首先选择%
n二Vdc/2/Vmn二400/2/27二7.4…取n二7
计算最大增益和最小增益
Mmax=2Voma/n/Vdc=7X54X2/400=1.9
Mmin=2Vomin*n/Vdc=2X27X2/400=0.95
根据图5,MpK和Q的关系曲线,选择
Q二0.45(Mmin=0.95)
LLC谐振电路设计
•Re=(8n7TT2)Vo/Io
•当Vomjn=27V,Iomax=4.44A时,
•Remm二(8x72/3.142)X27/4.44=242
•L尸QmaxRemin/dTTfr)=0.45X242/
(2X3.14xl30xl03)=133X106
•Lm=KLLr=133X106x5=667X106
•Cr=l/(2rrfrQmaxRemin)=l/(2X3.14x130x103X242)
=5.1X109
•当Vomax=54V,Iomin=2.22A时,
•Remax=(8x72/3.142)x54/2.22=968时,
•Qmin=2TTf丄r/Romx二2x3・14xl30xl03xl33XKr
6/968=0.112
•由以上计算,绘制出图6,根据图6可以计算出工作的最大频率和最小频率
•fmin=Kfminfr=0.55xl30xl03=71.5xl03
•fmax=Kfmaxfr=1.05xl30xl03=136.5x10s
LLC谐振电路设计
LLC谐振电路设计
•以上的计算变压器的匝比用的是输出最低电压,假如我们用输出最高点压计算变压器的匝比又会出现什么情况呢,下面就来计算一下。
•n=Vdc/2/Vomax=400/2/54=3.7z取二3.7
•Re=(8nW)Vo/Io
•当Vomin=27V,Iomax=4.44A时,
LLC谐振电路设计
计算最大增益和最小增益
Mmax=2Vomax*n/Vdc=3.7X54X2/400=l
Mmin=2Vomin*n/Vdc=3.7X27X2/400=0.5
根据图5,MpK和Q的关系曲线,选择
Qmin=0-1125(Mmax=l)
Qmax=0・45(Mmin=0.5)
Kl=5
•根据以上的,其增益与频率的曲线如图7所示。
•可以看出,工作的最{氐频率和最高频率相差3.85倍,假如我们设计些正品率匸二70kH乙则最高频率是270kHz。
这么宽的工作频率范围给设计工作带来挑战。
-同样的平均输出电压位于位于谐振频率点处也会遇到同样的问题。
LLC谐振电路设计
图7
总结
•要理解增益表达式中Kl,K#[]Q与M之间的关系,利用Kf关系图和M・Q的关系图,选取适当的氐和Q。
•匝比n与fr在最大频率和最小频率之间的相对位置有关,fr—般选在最大频率附近。
•最大频率和最小频率要包含重载和空载时的工作频率"