LLC谐振变换器详解(一)| 谐振变换器介绍
LLC变换器起源
在传统的硬开关电路中,开关损耗较大,且随着工作频率的提高,损耗问题愈发突出,这限制了电源转换效率的提升以及设备的小型化。为了解决这些问题,研究人员开始探索软开关技术,谐振变换器便是软开关技术的一种重要实现形式。LLC谐振变换器作为一种典型的谐振变换器,最初是为了实现更高效的能量转换和更低的开关损耗而被提出。
然而,在其诞生后的很长一段时间里,由于控制复杂、参数设计繁琐等原因,LLC谐振变换器并没有得到广泛应用,而是主要局限于一些对电源性能要求极高的特定领域,如高压电源或高端音频系统。近年来,随着半导体器件制造技术的发展,开关管的性能不断提升,以及平板电视等电子设备对高效、小型化电源的需求急剧增加,LLC谐振变换器才开始受到广泛关注,并逐渐成为一种主流的拓扑结构。如今,LLC谐振变换器在各种电子设备、充电桩、服务器电源等领域都得到了广泛的应用。
零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)
对于谐振变换器,零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)是电力电子技术中两种重要的软开关技术。以下是对它们的介绍:
零电压开关(ZVS):
主要基于电容器充电和放电的特性以及电路中的谐振现象。在开关管开通前,通过谐振电路或其他控制手段,使开关管两端的电压谐振到零,然后在电压为零的时刻施加导通信号,此时开关管以极小的损耗开通。在关断时,由于开关管两端电容的存在,电压也能相对较为平缓地变化,近似于零电压关断(实际也存在一定的关断损耗,但相比硬开关已经大大降低)。ZVS开通时序如图1所示,ZVS开通实际波形如图2所示。
从波形可以看到,MOSFET从关断到导通的过程中(期间包括漏源结电容Cds放电,体二极管导通,MOSFET缓慢导通等过程),因为MOSFET漏源电压Vds接近于零,能显著降低开关过程中的电压和电流交叠,因此开关损耗相对较低。所以MOSFET导通损耗近似为零。而在关断时,我们可以看到在转换过程中电流和电压仍然维持在较高水平,所以存在关断损耗。
零电流开关(ZCS):
通过控制电流的方向或大小,在电流过零时实现开关的开通或关断。在开关管关断前,通过控制策略使流过开关管的电流逐渐减小至零,然后在电流为零的时刻施加关断信号,此时开关管以极小的损耗关断。在开通时,也是确保电流为零的时刻进行开通操作,这样可以减少开通时的电流冲击。ZCS开通时序如图3所示,ZCS开通实际波形如图4所示。
从波形可看出,在MOSFET关断前,电流已经降为零,所以同样能够降低开关损耗。不过其开关损耗的降低程度可能因具体实现方式而异。
由于软开关的存在,开关过程中电压和电流的变化较小,产生的开关噪声也降低,因此电磁辐射和电磁干扰性能表现较优。这和常规PWM变换器中EMI和效率之间“跷跷板”关系不同,具体来说,谐振电路都可以一定程度的实现软开关过程。如图5所示半桥谐波电路软开关波形。
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