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LLC电源的设计调试

  • 2017-07-24 15:16
  • cjhk

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  •     首先感谢电源网提供的这一平台,可以方便电子工程师交流学习。  其次需要感谢电源网的fqd,私下我们QQ交流很多,挺好一哥们。

        另外需感谢版主的无私分享,还需要感谢CMG郭大师及夏建彬夏工的共享设计资料,谢谢。   看了版主的LLC电源帖子,我自己也正在着手做一台LLC电源。

         熟悉了硬开关电源技术,突破软开关电源技术也是在所难免。翻过一座山,眼前还有更多的山头需要翻越,这就是电子工程师的成长之路吧。

        注册电源网也有三四个年头了,初次发帖的是冲着乐工的数控电源去的。当时获得的奖品是小米机顶盒,后来又陆续写了好多帖子,有的帖子是冲着奖品去的,有的帖子是为了逼迫自己不断的提升。

        随着时间的积累,帖子发了不少,水平多少也提高了一点。写帖子累吗,很累,工作比较繁忙,有的时候确实不想写了,但是抵不住奖品的诱惑,也抵不住自己对技术的渴求,于是且写且骂,且骂且写,帖子数量确实多了不少,质量如何也就只能靠诸位看官去甄别了。

    同是电子工程师,请一定不要吝啬你的赞!

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  • cjhk

    LV.1

    2017-07-28 12:52

    @

        今天正式更新。

        关于LLC电源的讲解准备分为六大步骤,第一步LLC半桥拓扑原理讲解,第二步LLC半桥拓扑仿真,第三步LLC半桥小信号分析,第四步LLC半桥闭环电路仿真,第五步LLC半桥完整电路仿真,第六步LLC电路设计及计算,第七步LLC实物调试。

        LLC电源属于软开关电源系列,这一类拓扑可以实现零电压开通及零电流关断。我们学习LLC拓扑是否需要先从软开关电源着手呢,个人认为没有必要。把LLC电源拓扑当作一种常规的拓扑学习可能心态会平和很多,畏惧心也会小一点。

        初学者不应该把LLC拓扑想的过于复杂。一件事情想的过多,只会加剧自己的畏惧心理及抗拒情绪。抱着遇到问题解决问题的心态去学习,我认为是比较科学的学习心态。

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  • cjhk

    LV.1

    2017-07-28 13:56

    @cjhk

        今天正式更新。

        关于LLC电源的讲解准备分为六大步骤,第一步LLC半桥拓扑原理讲解,第二步LLC半桥拓扑仿真,第三步LLC半桥小信号分析,第四步LLC半桥闭环电路仿真,第五步LLC半桥完整电路仿真,第六步LLC电路设计及计算,第七步LLC实物调试。

        LLC电源属于软开关电源系列,这一类拓扑可以实现零电压开通及零电流关断。我们学习LLC拓扑是否需要先从软开关电源着手呢,个人认为没有必要。把LLC电源拓扑当作一种常规的拓扑学习可能心态会平和很多,畏惧心也会小一点。

        初学者不应该把LLC拓扑想的过于复杂。一件事情想的过多,只会加剧自己的畏惧心理及抗拒情绪。抱着遇到问题解决问题的心态去学习,我认为是比较科学的学习心态。

        我以常规的半桥串联LLC拓扑为例进行分析讲解(后面的帖子均以半桥串联LLC为例)。

        半桥串联LLC拓扑分为三大组成模块,分别是方波发生器,谐振网络及整流滤波环节。其中方波发生器用于将直流电压转换为脉冲方波输出至后级谐振网络。谐振网络通过变压器的漏感(Ls),初级电感(Lp)及串联电容(Cr)形成谐振,促使变压器初级侧电压及电流错相,实现零电压开通,零电流关断。

    LLC拓扑组成


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  • 沧海桑田_V

    LV.1

    2017-07-29 21:45

    @cjhk

        我以常规的半桥串联LLC拓扑为例进行分析讲解(后面的帖子均以半桥串联LLC为例)。

        半桥串联LLC拓扑分为三大组成模块,分别是方波发生器,谐振网络及整流滤波环节。其中方波发生器用于将直流电压转换为脉冲方波输出至后级谐振网络。谐振网络通过变压器的漏感(Ls),初级电感(Lp)及串联电容(Cr)形成谐振,促使变压器初级侧电压及电流错相,实现零电压开通,零电流关断。

    LLC拓扑组成


    LLC零电流关断,这一说法,还是有点勉强的。

    LLC零电流关断区域是工作频率接近谐振点到低于谐振点这一区域,但通常的LLC应用,都没有工作在这一频率区域。

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  • cjhk

    LV.1

    2017-07-31 16:27

    @cjhk

        我以常规的半桥串联LLC拓扑为例进行分析讲解(后面的帖子均以半桥串联LLC为例)。

        半桥串联LLC拓扑分为三大组成模块,分别是方波发生器,谐振网络及整流滤波环节。其中方波发生器用于将直流电压转换为脉冲方波输出至后级谐振网络。谐振网络通过变压器的漏感(Ls),初级电感(Lp)及串联电容(Cr)形成谐振,促使变压器初级侧电压及电流错相,实现零电压开通,零电流关断。

    LLC拓扑组成


        继续更新。

        上文讲解了LLC拓扑的结构组成,由其拓扑可以知道LLC电源拓扑的核心同时也是难点就在于其谐振网络的分析。要想真正把LLC谐振网络理解透彻必须将谐振网络涉及的参数均标注出来,只有让它充分曝光,才能使大家对其原理有较深的印象。

        下图为LLC谐振网络的详细参数图:

    LLC拓扑谐振网络实际组成



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  • cjhk

    LV.1

    2017-07-31 16:49

    @cjhk

        继续更新。

        上文讲解了LLC拓扑的结构组成,由其拓扑可以知道LLC电源拓扑的核心同时也是难点就在于其谐振网络的分析。要想真正把LLC谐振网络理解透彻必须将谐振网络涉及的参数均标注出来,只有让它充分曝光,才能使大家对其原理有较深的印象。

        下图为LLC谐振网络的详细参数图:

    LLC拓扑谐振网络实际组成



        由上图可以知道LLC谐振网络的核心其实还是变压器,只不过常规的硬开关电源我们都希望变压器的漏感越小越好,而对于LLC电源则需要通过工艺控制其初级漏感的数值,使其可以参与电路某个时间段的谐振。

        如果大家有心,可以将全桥LLC拓扑和硬开关全桥拓扑进行比较,大家会发现所谓的全桥LLC只不过是引入了LC谐振单元而已。硬开关全桥拓扑变压器其实也存在谐振,这类谐振是由其变压器漏感以及电路存在的各类杂散电容产生的,只不过由于变压器漏感及杂散电容数值过小,其组合所产生的谐振对电路本身的时序并无实质性影响,所以被大家可以忽略。

        换句话说,在硬开关全桥拓扑的基础上人为加大变压器漏感及谐振电容参数使其所产生的谐振波足以影响电路拓扑的时序,个人认为这便是全桥LLC拓扑诞生的初衷吧,仅仅是猜测而已。对于知识,我喜欢溯源,喜欢站在初创者的角度来阐述自己的想法。

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  • cjhk

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    2017-07-31 17:00

    @cjhk

        由上图可以知道LLC谐振网络的核心其实还是变压器,只不过常规的硬开关电源我们都希望变压器的漏感越小越好,而对于LLC电源则需要通过工艺控制其初级漏感的数值,使其可以参与电路某个时间段的谐振。

        如果大家有心,可以将全桥LLC拓扑和硬开关全桥拓扑进行比较,大家会发现所谓的全桥LLC只不过是引入了LC谐振单元而已。硬开关全桥拓扑变压器其实也存在谐振,这类谐振是由其变压器漏感以及电路存在的各类杂散电容产生的,只不过由于变压器漏感及杂散电容数值过小,其组合所产生的谐振对电路本身的时序并无实质性影响,所以被大家可以忽略。

        换句话说,在硬开关全桥拓扑的基础上人为加大变压器漏感及谐振电容参数使其所产生的谐振波足以影响电路拓扑的时序,个人认为这便是全桥LLC拓扑诞生的初衷吧,仅仅是猜测而已。对于知识,我喜欢溯源,喜欢站在初创者的角度来阐述自己的想法。

        前文讲解的LLC谐振网络可以看作是由初次级漏感,激磁电感及理想变压器组成。通过交流等效电路分析法可以将LLC拓扑进一步简化,下图为交流等效模型:

    LLC交流等效电路




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  • cjhk

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    2017-08-01 13:39

    @cjhk

        前文讲解的LLC谐振网络可以看作是由初次级漏感,激磁电感及理想变压器组成。通过交流等效电路分析法可以将LLC拓扑进一步简化,下图为交流等效模型:

    LLC交流等效电路




        从交流等效电路的角度分析,可以发现LLC拓扑有两个谐振频率,分别为f1=1/(2pi*√ ̄Lr*Cr),f2=1/(2pi*√ ̄Lp*Cr)。实际电路调试中保持次级开路测得初级电感量即为Lp,短路次级测得的初级电感量为Lr。

        上面整了一堆公式有什么意义呢?通过上述两个谐振频率点与变换器本身的驱动频率f的对比可以约束LLC拓扑的谐振频率范围。大家可以对比f1,f2及f的关系得出何时能实现功率管的软开关。当工作与轻载状态时,谐振频率为f2=1/(2pi*√ ̄Lp*Cr),此时漏感,初级电感均参与谐振,此状态电路工作频率较低。当工作与重载状态,谐振频率为f1=1/(2pi*√ ̄Lr*Cr),此时仅仅是初次级漏感参与谐振,该阶段电路工作频率较高。

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  • cjhk

    LV.1

    2017-08-01 14:18

    @cjhk

        从交流等效电路的角度分析,可以发现LLC拓扑有两个谐振频率,分别为f1=1/(2pi*√ ̄Lr*Cr),f2=1/(2pi*√ ̄Lp*Cr)。实际电路调试中保持次级开路测得初级电感量即为Lp,短路次级测得的初级电感量为Lr。

        上面整了一堆公式有什么意义呢?通过上述两个谐振频率点与变换器本身的驱动频率f的对比可以约束LLC拓扑的谐振频率范围。大家可以对比f1,f2及f的关系得出何时能实现功率管的软开关。当工作与轻载状态时,谐振频率为f2=1/(2pi*√ ̄Lp*Cr),此时漏感,初级电感均参与谐振,此状态电路工作频率较低。当工作与重载状态,谐振频率为f1=1/(2pi*√ ̄Lr*Cr),此时仅仅是初次级漏感参与谐振,该阶段电路工作频率较高。

        LLC电源拓扑其谐振网络阻抗特性是偏容性还是感性呢?当为容性特性时,电流超前电压90度,当为感性特性时,电压超前电流90度。因为LLC谐振网络需要保证电压超前电流,所以其谐振网络阻抗特性为偏感性的。

        为保证谐振网络为感性特征,必须确保其开关频率大于谐振频率f2。通常谐振网络的频率为f2

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  • cjhk

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    2017-08-03 13:26

    @cjhk

        LLC电源拓扑其谐振网络阻抗特性是偏容性还是感性呢?当为容性特性时,电流超前电压90度,当为感性特性时,电压超前电流90度。因为LLC谐振网络需要保证电压超前电流,所以其谐振网络阻抗特性为偏感性的。

        为保证谐振网络为感性特征,必须确保其开关频率大于谐振频率f2。通常谐振网络的频率为f2

        前文讲解了LLC拓扑部分的电路特性,接下来我们讲讲LLC拓扑的工作原理。通常LLC拓扑的工作状态被人为地分成六个时序段,理解了这六大时序才算真正理解的LLC拓扑的工作原理。以下六步骤来源于ST的技术手册,后续我会将参考的技术文献均共享给大家。

        开关频率fsw等于或大于f1=1/(2pi*√ ̄Lr*Cr)时,下图为第一阶段LLC拓扑工作状态时序图,暂名为时序图1:


    T0时刻

        在谐振网络的作用下,初级侧电流方向为左负右正,电流经过Cr,Ls及功率管Q2形成回路,此时初级侧主电感(激磁电感)处于短路状态,不参与谐振。次级侧感应的电压方向为上正下负,D2导通,初级侧能量经变压器传送至次级侧负载。



        

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