LLC

Резонансные LLC-преобразователи. Часть четвертая: рабочие точки и рабочие режимы

Данная статья является четвертой в серии публикаций, посвященных LLC-преобразователям. Эти статьи написаны для того, чтобы помочь разобраться с LLC-схемой даже тем, у кого нет опыта разработки, моделирования и анализа импульсных источников питания. В четвертой части раскрывается уравнение усиления LLC-преобразователя и приводится объяснение режимов его работы
4186
В избранное

Данная статья является четвертой в серии публикаций, посвященных LLC-преобразователям. Эти статьи написаны для того, чтобы помочь разобраться с LLC-схемой даже тем, у кого нет опыта разработки, моделирования и анализа импульсных источников питания. Обратите внимание на список литературы, который постоянно пополняется. После каждой публикации приводятся только те ссылки, которые используются в конкретной статье. Полный список литературы поможет по «кусочкам» собрать всю картину работы этой сложной схемы.

До сих пор мы рассматривали LLC-конвертер как преобразователь, который формирует постоянное выходное напряжение с помощью выпрямителя и конденсатора. Статья «Резонансные LLC-преобразователи. Часть первая: Введение» была посвящена объяснению этапов преобразования энергии в LLC-схеме. В обзоре «Резонансные LLC-преобразователи. Часть вторая: от прямоугольных импульсов к синусоидальным сигналам» рассказывалось, как создать синусоидальную волну, используя прямоугольный сигнал традиционного импульсного источника питания. В статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть третья: работа трансформаторов» была объяснена роль трансформатора в LLC-преобразователе. В третьей части также показано, как получить эквивалентную схему LLC за счет приведения выходной нагрузки к первичной обмотке трансформатора.

Потребовалось три статьи для того, чтобы подойти к уравнению усиления LLC-преобразователя и попытаться объяснить режимы его работы. LLC-преобразователь должен работать на резонансной частоте, создавая синусоидальный ток и поддерживая выпрямительные диоды в режиме непрерывного тока. Как указывалось ранее, такой подход отличается от работы традиционного импульсного преобразователя, который предполагает накопление энергии в индуктивности. Уровень пульсаций на выходе обычного импульсного источника питания будет меньше, если индуктивность работает в режиме непрерывных токов CCM. Чтобы избежать путаницы, еще раз подчеркнем, что режим непрерывных токов в LLC относится к току выпрямительных диодов.

На рисунке 1 показан желаемый синусоидальный сигнал на выходе LLC-схемы. В реальности на входе LLC присутствует не синусоидальный, а прямоугольный сигнал. В статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть вторая» объяснялось, как из прямоугольного сигнала можно получить синусоидальный сигнал с помощью резонансной схемы. Прямоугольный сигнал формируется полумостовым инвертором из постоянного напряжения, как это было показано в статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть первая». Наконец, в статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть третья» были даны разъяснения относительно импедансов различных составляющих схемы: индуктивности рассеяния трансформатора, индуктивности намагничивания и сопротивления нагрузки.

Делители напряжения

Рис. 1. Делители напряжения

Коэффициент усиления определяется импедансом делителя напряжения, представленном на рисунке 1а):

Vo = (Vin x X2)/ (X1 + X2),

где, в соответствии с рисунком 3,

X2 = XLm || Rac и X1 = XCr + XLr.

В большинстве публикаций по данной теме обычно сразу переходят к уравнению коэффициента усиления LLC-конвертера и его зависимости от частоты. В данной статье используется иной подход и объясняется, как именно переменный ток передается на вторичную обмотку трансформатора. На рисунке 2 показан трансформатор T1 с индуктивностью намагничивания Lm. Наличие Lm усложняет понимание принципа действия LLC-схемы. Попробуем устранить возникшие «трудности».

Необходимо обеспечить протекание через Lm тока намагничивания, достаточного для правильной работы трансформатора. Переменная составляющая тока передается на вторичную обмотку T1.

Резонансный DC/DC-преобразователь

Рис. 2. Резонансный DC/DC-преобразователь

В схеме присутствует ток намагничивания, протекающий через индуктивность намагничивания Lm, и переменный ток первичной обмотки трансформатора, протекающий через резонансную цепочку. Это разные токи, которые имеют решающее значение для функционирования тока LLC-схемы. Намагничивающий ток треугольной формы рассчитывается так же, как и в случае традиционного импульсного преобразователя:

намагничивающий ток di/ di = Vprim/ Lm,

где Vprim – это приведенное выходное напряжение постоянного тока.

Теперь нам потребуются знания о работе трансформатора. Для правильной передачи энергии трансформатору необходим ток намагничивания. Когда выходной диод открыт, постоянное выходное напряжение отражается в первичную обмотку, и через индуктивность намагничивания протекает ток треугольной формы. Резонансный контур пытается «создать» переменный ток. Этот переменный синусоидальный ток протекает через первичную обмотку трансформатора.

Для определения тока намагничивания проще использовать постоянное выходное напряжение, а не импульсное входное напряжение, которое дополнительно фильтруется на первичной стороне трансформатора. На рисунке 3 показано разделение токов в LLC-преобразователе.

Разделение токов резонанса и намагничивания в LLC-преобразователе

Рис. 3. Разделение токов резонанса и намагничивания в LLC-преобразователе

Обратите внимание, что ток намагничивания гораздо меньше, чем резонансный ток. В работах по данной теме током намагничивания часто пренебрегают и сразу переходят к определению резонансного тока LLC. Я считаю, что в подобных публикациях о токе намагничивания стоит рассказывать подробнее – это позволит лучше понять принцип работы преобразователя.

В завершение статьи наметим основные режимы работы LLC. В большинстве случаев LLC может рассматриваться как резонансная схема, включающая Lr – индуктивность рассеяния, Lm – индуктивность намагничивания и C – последовательный конденсатор. Это три основных элемента LLC-схемы. Как мы увидим в следующих публикациях, рабочая точка LLC требует рассмотрения индуктивности намагничивания не только как элемента резонансной схемы, но и как параметра трансформатора. В итоге уравнение усиления подразумевает три режима работы, которые мы проанализируем позже. Следующая глва посвящена уравнению усиления.

Предыдущие главы:

Литература

  1. Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power Systems”, Bo Yang Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering Fred C. Lee, Chairman Dushan Boroyevich Jason Lai Guo-Quan. Lu Alex Q. Huang September 12, 2003 Blacksburg, Virginia
  2. Basic Principles of LLC Resonant Half Bridge Converter and DC/Dynamic Circuit Simulation Examples”, On Semiconductor LLC Application Note AND9408/D
  3. RLC Resonant Circuits”, Andrew McHutchon April 20, 2013
  4. The Series RLC Resonance Circuit
  5. Resonant LLC Converter: Operation and Design 250W 33Vin 400V out DesignExample“, AN2012-09, Sam Abdel-Rahman, Infineon Technologies North America (IFNA) Corp.
  6. “Design Considerations for an LLC Resonant Converter” Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers; couldn’t get a website URL; suggest you Google the text in brackets [“Design Considerations for an LLC Resonant Converter” Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers]
  7. SIMULATION OF A SERIES HALF BRIDGE LLC RESONANT CIRCUIT”, ECE562: Power Electronics I COLORADO STATE UNIVERSITY Fall 2011
  8. 230-V, 400-W, 92% Efficiency Battery Charger w/PFC and LLC for 36-V Power Tools” Texas Instruments Reference Design, TIDA-00355
  9. Can you turn a square wave into a sine wave using a low-pass filter?, Signal Processing Stack Exchange is a question and answer site for practitioners of the art and science of signal, image and video processing
  10. Square Wave Signals”, Chapter 7 - Mixed-Frequency AC Signals, All About Circuits website
  11. Chapter 14 Transformers” C. Y. Lee, ISU EE
  12. LLC Power Conversion Explained, Part 1: Introduction
  13. LLC Power Conversion Explained, Part 2: Sine Wave from a Square Wave
  14. LLC Power Conversion Explained, Part 3: Understanding transformers
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
UCC25600EVM
UCC25600EVM
Texas Instruments
Арт.: 428945 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
LLC Resonant Half-Bridge Converter 300-W Evaluation Module
UCC25600EVM
-
Поиск
предложений
TMDSHVRESLLCKIT
Texas Instruments
Арт.: 735842 ИНФО
Поиск
предложений
Набор C2000TM High Voltage Resonant LLC Developer’s Kit создан, чтобы показать пользователю как быстро реализовать резонансный DC/DC преобразователь с топологией LLC и цифровым управлением USB-JTAG XDS100 ISO
TMDSHVRESLLCKIT
-
Поиск
предложений
UCD3138ALLCEVM150
UCD3138ALLCEVM150
Texas Instruments
Арт.: 1922952 ИНФО AN RD
Поиск
предложений
UCD3138A LLC Evaluation Module
UCD3138ALLCEVM150
-
Поиск
предложений
UCC25630-1EVM-291
UCC25630-1EVM-291
Texas Instruments
Арт.: 2573117 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
UCC256301 LLC Evaluation Module
UCC25630-1EVM-291
-
Поиск
предложений
Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EVAL600W12VLLCC7TOBO1
EVAL600W12VLLCC7TOBO1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2278143 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 1 шт. 19150,00
600W DCDC/LLC stage, 400V/12V DC, 97.8% peak efficiency
EVAL600W12VLLCC7TOBO1 19150,00 от 2 шт. 19150,00
1 шт.
(на складе)
EVAL3KW2LLCC720TOBO1
EVAL3KW2LLCC720TOBO1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2278147 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
3.0kW Dual LLC Evaluation Board
EVAL3KW2LLCC720TOBO1
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()