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解惑答疑:半橋LLC電路中的波形從何而來?

發(fā)布時間:2014-11-25 責任編輯:sherryyu

【導讀】在半橋LLC當中,存在著各種各樣的波形,那么這些波形是如何產(chǎn)生的呢?這些波形又為何存在?本篇文章對半橋LLC電路中的波形產(chǎn)生過程進行了較為詳細的講解,屬于一篇有針對性并且較為基礎的文章,希望本篇文章能對各位新手有所幫助。
 
半橋由兩個功率開關(guān)器件組成,以中間點為輸出,向外提供方波信號。LLC電路是一種包含了電容、電阻、電感等元件的電路網(wǎng)絡。在半橋LLC當中,存在著各種各樣的波形,那么這些波形是如何產(chǎn)生的呢?這些波形又為何存在?
半橋LLC電路中的波形從何而來?
如果想要對半橋LLC所產(chǎn)生波形進行分析,首先就需要從基本的諧振電路開始入手。圖1是半橋LLC電路中經(jīng)常被來用作參考的波形圖,雖然給出了波形,但是卻沒有給出產(chǎn)生的原因。
 
LLC的之所以可以做到軟開關(guān),特別是FSW>FR1、FR1=FSW、FR1>FSW>FR2這三個區(qū),是針對MOS管來說的,不是ZCS,而是ZVS,因為MOS在開關(guān)過程中,開通損耗占很大比例,相反IGBT關(guān)斷時由于尾拖電流造成的損耗就要比開通過程的損耗大,所以IGBT如果滿足ZCS損耗就要小得多。
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之所以LLC諧振腔要呈感性,是因為需要電壓超前電流(可以將上管開通時,想象成正弦電壓剛好從0°開始加在諧振腔里),一旦呈感性,則諧振腔的電流在上管開通前的流通方向是負的,正是因為這個負電流,才能給上管放電、下管充電,使得上管MOS兩端的電壓為0,開通前為0了,那么開通時便實現(xiàn)了ZVS。如果呈容性,同理可知上管開通前,諧振腔電流方向為正,下管靠體二極管來續(xù)流,上管截止,當開通的時候,下管體二極管由于反向恢復時間的存在,有可能會使母線電壓短路,從而炸管。但是可以利用此特性,在上管關(guān)斷前,諧振腔電流為負,實現(xiàn)ZCS,使得IGBT也可以適用LLC此類拓撲。
 
當諧振腔電流與勵磁電流相等后,沒有電流流入“理想”變壓器初級繞組內(nèi),所以初級繞組并未被鉗位到NVO,此時勵磁電感就呈現(xiàn)出電感的性質(zhì),所以此時諧振頻率將改變成“L+L+C”,所以電流波形是一個斜坡(其實是一段曲線,因為是正弦波的一小段,所以次邊電壓為一條斜線,二階的導數(shù)是一階,就是一條線性的斜線)。
 
當fsw>fr1時,此時勵磁電感并不參與諧振,圖1中電流波形之所以會突然被拉下來,是因為上管關(guān)斷后,勵磁電流與諧振電流仍不相等,所以勵磁電感兩端電壓會被鉗位在nVo,而此時諧振電容上有電壓,所以電流會呈現(xiàn)(Vc-nVo)/Lr的斜率下降,諧振電流被“拉”到與勵磁電流相等。
半橋LLC電路中的波形從何而來?
LLC的核心思想是通過f(頻率)實現(xiàn)穩(wěn)壓原理。詳細原理如圖2所示。
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那么LLC是如何實現(xiàn)軟開關(guān)的呢??
 
這里提到一點,即開關(guān)頻率一定要大于最小諧振頻率(即由Cr和Ls、Lp的諧振頻率); 為什么呢?因為,這里必須保證這個諧振網(wǎng)絡為感性負載(電感的阻抗大于電容的阻抗)。為什么要這樣呢? 看下面的圖:
 
半橋LLC電路中的波形從何而來?

 
接下來解析一下圖3,設左邊最端點處的為零點(圖中為標出),則由FHA可知,在半橋中點的電壓可以等效為 Vs=(2Vin/pi*sinw1t) ; 由于負載成感性,那么電流必將滯后電壓,,即Ip=A*sin(w1t-a), A表示一個常數(shù),a為滯后的相位。 這樣,在零電壓即VS=0的時候,流過MOS管的電流為負值即通過體二極管。這個時候,驅(qū)動MOS管,則能實現(xiàn)開關(guān)零損耗;至于關(guān)斷呢?從圖3中可知,上管關(guān)斷時,MOS管有正向電流通過,然后由于MOS管兩端并接了緩沖電容,故使得電壓緩慢降低,從而實現(xiàn)了軟開關(guān)的作用。電容存儲的能量,在下一周期會返回到DC電源中去。
 
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