LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真

目录

1、半桥LLC谐振电路

1.1 半桥LLC谐振电路的工作模态

1.2 电路仿真

2、全桥LLC

2.1 全桥LLC的工作模态

2.1.1 第一个频段:

2.1.2 第三个频段:

2.2 仿真

3. 半桥LLC+同步整流

3.1 仿真


本周真像是要量产小文章啊……

今天接触了一下LLC谐振电路。LLC谐振电路中,主要分为半桥谐振和全桥谐振。而副边分为不可控整流和同步整流。全桥是指H桥,具有4个可控开关。半桥是只有H桥的一般,只有2个可控开关。同步整流主要是指,都用内置二极管的MOS管替代二极管。二极管普遍具有0.7V或者0.3V的标准导通压降,电流增大,导通压降也会随着增大。而MOS管,导通电阻是毫欧等级的,导通压降等于电流乘以导通电阻,很小。用同步整流的方式,可降低二极管损耗、提高电源转换效率。

1、半桥LLC谐振电路

半桥LLC谐振电路拓扑结构如下:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第1张图片

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。

谐振原理:


可得到

V_o=\frac{L_mC_rs^{2}}{\left ( L_m+L_r \right )C_rs^{2}+1}V_i

绘制出传递函数的波特图。

MATLAB中运行:

Lr = 20e-6;
Lm=20e-6;
Cr=0.1e-6;
y1= tf([Lm*Cr,0,0],[Cr*(Lr+Lm),0,1])
[MAG, PHASE,W] = bode(y1);
bode(y1)
grid on

可得到下面的波特图:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第2张图片

可见在谐振频率点处,LLC的增益达到了137dB。只有在谐振点附近,增益为正数。离谐振点较远的频率都有抑制作用。因次,控制半桥的可控管,LLC电路工作在谐振点,电路输出最有最大电压;若控制半桥的可控硅,让LLC电路工作频率远离谐振点,可让LLC输出的电压降低。

 

1.1 半桥LLC谐振电路的工作模态

L_rL_mC_r谐振的频率为f_m,则f_m=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_r\left ( L_r+L_m \right )}}

L_rC_r的谐振频率为f_r,则f_m=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_r L_r )}}

用PWM波控制LLC中的半桥,通常使用占空比为50%的PWM波。采用改变频率的方式,控制LLC的输出电压。

设开关频率为f_s。LLC电路分为三种情况。第一种是f_m<f_s<f_r。第二种是f_s=f_r,第三种是f_s>f_r

f_m<f_s<f_r为例,介绍本电路的工作模态(找了几篇参考论文,都没把各种工作频率下的工作模态介绍完全)。

半桥LLC谐振电路的工作模态
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第3张图片
工作模态1
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第4张图片
工作模态2
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第5张图片
工作模态3
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第6张图片
工作模态4
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第7张图片
工作模态5

1.2 电路仿真

在PSIM软件中对电路进行了仿真。

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第8张图片

仿真步长Time step = 1e-7;仿真总时间total time = 0.1;

LLC中,Lr=20uH;Lm=20uH;Cr=0.1uF;负载侧滤波电容Cout=4700uF;负载电阻为120欧姆。

闭环控制比较难仿真,逻辑较复杂因此,先做开环控制的仿真。通过自行改变三角波的频率,观察输出电压的变化。

Fs=80K:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第9张图片

Fs=100KHz:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第10张图片

Fs = 112539Hz:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第11张图片

Fs=130KHz:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第12张图片

 

Fs=160KHz

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第13张图片

仿真结果显示,三角载波由80KHz下降到160K,输出电压也呈现下降趋势。

 

 

2、全桥LLC

全桥LLC的拓扑结构如下:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第14张图片

和上面半桥LLC的区别是,谐振电路的输入端是一个H桥全桥电路。

2.1 全桥LLC的工作模态

全桥LLC电路同样分为三种情况。第一个频段是f_m<f_s<f_r。第二个频段是f_s=f_r,第三个频段是f_s>f_r。详见参考文献[1]。

2.1.1 第一个频段f_m<f_s<f_r

主要器件的信号波形如下:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第15张图片

 

频段A内电路的工作模态
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第16张图片 LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第17张图片
工作模态1:t0-t1 工作模态5:t4-t5
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第18张图片 LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第19张图片
工作模态2:t1-t2 工作模态6:t5-t6
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第20张图片 LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第21张图片
工作模态3:t2-t3 工作模态7:t6-t7
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第22张图片 LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第23张图片
工作模态4:t3-t4 工作模态8:t7-t8

 

 

 

2.1.2 第三个频段f_s>f_r

主要器件的信号波形如下:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第24张图片

 

 

频段C内电路的工作模态
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第25张图片 LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第26张图片
工作模态1:t0-t1 工作模态4:t3-t4
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第27张图片 LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第28张图片
工作模态2:t1-t2 工作模态5:t4-t5
LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第29张图片 LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第30张图片
工作模态3:t2-t3 工作模态6:t5-t6

 

f_s=f_r时在这里不介绍了。

2.2 仿真

同样,仿真软件使用PSIM9.0

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第31张图片

开关频率80KHz:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第32张图片

开关频率100KHz:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第33张图片

开关频率120KHz:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第34张图片

开关频率170KHz:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第35张图片

开关频率200KHz:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第36张图片

开关频率230KHz:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第37张图片

仿真结果显示,三角载波由80KHz下降到250K,输出电压也呈现下降趋势。

 

3. 半桥LLC+同步整流

拓扑如下:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第38张图片

在参考文献[2]中,设计的服务器电源的LLC拓扑就是本拓扑。全桥拓扑中,变压器的原边电路中,电容C2和二极管D2都是MOS管Q2所内置的;电容C4和二极管D4都是MOS管Q4所内置的。

本拓扑中的变压器原边中,使用了两个谐振电容和两个二极管,分别替代全桥LLC中的MOS管Q2和MOS管Q4。

同时,本拓扑中,变压器的副边,比传统的LLC拓扑,移动了一下元器件的位置。并采用同步整流以降低二极管的开关损耗。

参考文献[2]中介绍大的是一款效率符合Titanium(钛金级)标准的电源。但是没具体介绍单片机实现的方式。另外找到了一款符合Platinum(铂金级)标准的电源请见参考文献[3]。主要是后者这款,具有部分数字化逻辑框图。

电路的硬件连接方式如下图:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第39张图片

所需要采集的信号量为:1、谐振电感的电流;2、负载电压;3、负载电流;4、变压器中心抽头的电压。

 

3.1 仿真

先做开环仿真验证系统是否可行:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第40张图片

仿真步长Time step = 1e-7;仿真总时间total time = 0.1;

LLC中,Lr=20uH;Lm=20uH;两个都是Cr=0.1uF;负载侧PI型滤波器中,两个滤波电容C=470uF,滤波电感20uH;负载电阻为120欧姆。

输出电压:

LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_第41张图片

 

 

 

 

参考文献1:LLC谐振变换器在电力电子变压器中的应用研究_陆玉

参考资料2:《Infineon-ApplicationNote_EvaluationBoard_EVAL_1K6W_PSU_G7_DD-AN-v01_01-EN.pdf》跳转页面

参考资料3:《Infineon-Application_note_evaluation_board_EVAL_800W_PSU_3P_P7-AN-v01_00-EN.pdf》跳转页面

 

 

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