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LLC电源的设计调试

来源:    编辑:    发布时间:2017-08-31 09:31:27    浏览量:

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,私下大家QQ交流很多,挺好一哥们。

另外需感谢154600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154600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。

抢沙发

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。大家学习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


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。

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大家都希翼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。对于常识,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




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<f<f1。

前文讲解了LLC拓扑部分的电路特性,接下来大家讲讲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。




当谐振频率f1=开关频率时,LLC拓扑进入第二个时序状态,下图为时序图2:


时序2

此时功率管Q1,Q2均截至,次级D1,D2也处于截止状态。由于次级侧无电流,D2属于自然关断。初级侧谐振电流用于给Q1,Q2的体电容充电。次级侧负载通过滤波电容提供能量。


在第二阶段初级侧谐振电流给上管Q1的体电容充电,当体电容电压大于体二极管的导通电压时,体二极管导通,谐振电流经体二极管流向输入端,此时开通Q1可以实现ZVS。接下来即进入第三阶段,下图为时序图3:

时序3

谐振电流经Ls,Cr,Q1流入输入端,次级侧产生的感应电压为上正下负,经D1传送至输出端。




第四阶段,打开功率MOS Q1,由于体二极管电流导通,此时功率MOS的开通没有电压损耗即实现了零电压开通。电源电压经Q1,Cr,Ls形成回路。变压器次级电压为上正下负,整流二极管D1导通,能量由初级经次级传输至负载端。下图为时序图4:

时序4


同样的次级测感应电压方向为上正下负为什么一个是D2导通一个是D1导通?求说明下 出差刚回来,你的理解不对。看初次级的电压流向,在正半周次级上管导通,负半周为次级下管导通。 llc工作在零电流不炸管?除非你是全谐振形。 半桥LLC不能工作在零电流状态,这个是毋庸置疑的,选择LLC阻抗特性很重要 希翼td大炮台版主能继续斧正,谢谢。

第五阶段,此时功率MOS关断,电源电压经体电容及Cr,Ls,Lp形成回路,同时给Q2的体电容充电,为Q2的零电压开通做准备,负载由输出滤波电容供电。下图为时序图5:

时序5




第六阶段,当Q2的体二极管电压大于体二极管导通电压,二极管导通,此时功率MOS实现零电压开通,变压器次级感应电压为上正下负,D2导通,如此周期性循环工作形成LLC拓扑的工作流程(开关频率等于或大于谐振频率f1),下图为时序图6:

时序6



学习了,期待跟新。 当LLC谐振拓扑其开关频率大于或等于谐振频率时(fsw≥f1=1/(2pi*√ ̄Lr*Cr)),初级功率MOS可以实现ZVS(零电压开通),次级整流二极管可以实现ZCS(零电流关断),且初级主电感(激磁电感)不参与谐振。当开关频率小于谐振频率f1,大于谐振频率f2时,LLC拓扑如何工作呢?

接下来大家开始讨论f2<fsw<f1时的电路时序特性,此一阶段激磁电感将参与电路谐振。下图为时序图1,上电初始状态和前文时序图一样,Q1断开,Q2导通,谐振电流经Ls,Cr,Q2形成回路,变压器次级感应电压使D2导通,为负载及滤波电容提供电能。时序图1如下所示:

时序1


第二阶段,由于f2<fsw<f1,初级侧激磁电感Lp,初级漏电感Ls及谐振电容Cr均参与谐振,且功率MOS Q2依旧导通,同时次级侧二极管D1,D2均未导通,负载由输出端滤波电容提供能量,下图为时序图2:

时序图2




第三阶段,功率MOS Q1 Q2均截止,初级侧激磁电感Lp,初级漏电感Ls及谐振电容Cr产生的谐振电流为上下功率管的体电容充电。为上管体电容充电的电流最终传输至Vin,为下管体电容充电的电流经地线形成回路,负载由输出端滤波电容提供能量。下图为时序图3:

时序图3


第四阶段,当上管体电容两端电压大于上管体二极管的导通偏置电压时,上管体二极管导通,此时开通功率MOS Q1,实现了功率MOS Q1的ZVS。此阶段初始谐振腔由初级漏电感Ls及电容Cr组成,初级主电感Lp(激磁电感)短路,谐振电流为负半周时,电流方向为左负右正,电流最终输入至Vin。变压器次级感应电压为上正下负,整流二极管D1导通,为负载提供能量。下图为时序图4:

时序图4



第五阶段和第四阶段时序图有细微差别,此阶段初级侧谐振电流为正半周,电流方向为左正右负,电流经功率MOS Q1最终输入至地。变压器次级感应电压仍然为上正下负,整流二极管D1导通,为负载提供能量。下图为时序图5:

时序图5



第六阶段,谐振腔由激磁电感,漏电感及电容组成,此阶段电压方向为左正右负,电流经功率MOS Q1及谐振网络最终输入至地。变压器次级感应电压消失,整流二极管D1自然关断实现ZCS,输出端滤波电容为负载提供能量。下图为时序图6:

时序图6



第七阶段,此阶段上管功率MOS Q1关断,激磁电感仍然参与谐振,产生的谐振电流为上下功率管的体电容充电,为下一阶段功率管Q2的零电压开通做准备。次级侧输出端滤波电容为负载提供能量。下图为时序图7:

时序图7


第八阶段其实就是重复第一阶段的时序,至此LLC拓扑形成一个循环。此阶段下管体电容电压大于体二极管导通偏置电压,下管开通实现ZVS。谐振腔由漏电感及电容组成。次级侧的感应电压为中间正下端负,整流二极管D2导通为负载提供能量。下图为时序图8:

时序图8


LLC半桥拓扑原理讲解已经完成,第二步LLC半桥拓扑仿真,后续会继续更新。上述均为我个人基于ST的技术手册的理解,有讲的不到位或者错误的地方还望诸位斧正,谢谢。 跟贴学习,字体太黑了我看得有点头晕。

这一帖 讲完后争取整理出来共享给大家。


占座,把LLC原理说的通俗易懂,要好好学习学习。 自带小板凳来听讲 我是菜鸟, 请问LLC是什么意思? 我在google.com 上查不到。(那上面都说是有限责任企业的意思,我知道不对)请不耻解疑。 是Ls,Lp,Cr 的意思? 您好!请问LLC的资料能发我一份吗?我邮箱690154809@qq.com

最近几天没有更新,主要是忙着调试LLC电源花了差不多5天左右的时间,还是没有调试出来,初次尝试LLC电源宣告失败。但是没有关系,接着来,准备做第二版电源,继续调试。

看到群里15400版主很顺利就把LLC电源搞定真的很佩服,目前我遇到的问题是前级PFC基本搞定了,但是后级LLC电路只要一上电即保护,反复将外围的参数调整了很多遍依旧是没有搞定,所以只能宣布第一版失败。

实物


刚开始信心满满的调试LLC电源,实际遇到问题却不知道如何下手调试LLC电源,自信心备受挫折,休息几天再战。

理论分析的再好,实物做不出来,那基本上就是空言无补,空中楼阁。继续埋头苦干。

把我第一版的原理图共享给大家,有兴趣的朋友可以帮忙看看问题出在哪里,谢谢。所有节点参数均是根据技术手册计算得到。

LLC24V10A.zip

刚刚出差回来,虽然第一版失败了对自己的自信心打击很大,但是没有关系,修整几天,准备继续更新。一定要作出属于自己的LLC电源。 您好,请问L6562+L6599的LLC半桥最大能做到多大功率 目前是准备做到250W左右

今天将LLC电源拓扑仿真了一遍,以下为其仿真相关文件。

原理图:


原理图

上下管驱动波形


上下管驱动波形

变压器初级侧波形


变压器初级波形

次级整流管前端波形


输出波形

仿真文件

LLC拓扑.zip





是不是启动的时候触发了过流保护了,增大谐振电感试一试,或者增大软启动时最大开关频率 应该不是,我也怀疑过是过流保护的问题,我将L6599的6脚过流保护端对地短接,依旧不行。

今天将LLC闭环仿真做好了,共享给诸位。

原理图:

LLC闭环控制

驱动波形:

上下管驱动波形

变压器初级谐振波形:

变压器初级波形

次级波形:

输出波形

仿真文件:

LLC闭环仿真.zip

LLC闭环控制主要引入PID控制环路,通过pid动态调节LLC拓扑的诸多参数,该电路很多参数都可以优化,我做的比较匆忙,希翼论坛里的朋友能帮忙继续优化仿真参数,谢谢。

越是深入的学习,越是发现自己很多的常识点似懂非懂,希翼各路高人能多多引导,谢谢。

联系之前网上认识的一位电源工程师,张工。他送了一块做好的LLC电源,这段时间准备先逆向工程将这款LLC电源搞出来,同时分析一下自己的电源为什么行不通的原因。在此需要感谢电源网另一位工程师“止殇之战”,向他请教了一些问题,谢谢。

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