Резонансные LLC-преобразователи. Часть шестая: формы сигналов

Это шестая и заключительная статья из серии публикаций, посвященных резонансным LLC-преобразователям. LLC-преобразователи представляют собой сложные схемы. В этой статье основное внимание уделяется рассмотрению форм сигналов, присутствующих в LLC-схеме.
2317
В избранное

Это шестая и заключительная статья из серии публикаций, посвященных резонансным LLC-преобразователям. LLC-преобразователи представляют собой сложные схемы. Для их анализа и изучения требуется много времени: по этой теме пишутся даже докторские диссертации [1]. Исходя из своего опыта, я могу сказать, что в среднем написание докторской диссертации занимает семь лет. Таким образом, шесть статей это не так уж и много для того, чтобы представить основные принципы работы LLC-схемы.

В этой статье основное внимание уделяется рассмотрению форм сигналов, присутствующих в LLC-схеме. Лучшее объяснение получаемых осциллограмм дается в руководстве от компании Infineon [5].

Рабочая частота LLC-преобразователя определяется индуктивностью рассеяния Lr и последовательной емкостью, показанной на рисунке 1.

Эквивалентная схема для определения рабочей частоты LLC

Рис. 1. Эквивалентная схема для определения рабочей частоты LLC

В первой статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть первая: Введение» было сказано, что резонансные преобразователи обладают повышенной эффективностью за счет переключений при нулевых напряжениях или нулевых токах. В резонансном конверторе сигнал имеет синусоидальную форму, что обеспечивает плавный переход через ноль, в то время как в традиционных импульсных преобразователях происходят жесткие коммутации со скачкообразным изменением напряжений или токов. Синусоидальное изменение сигнала при возврате к нулю гарантирует нулевой ток через выпрямитель при коммутациях. В итоге обратное восстановление диодов в LLC-преобразователях не является проблемой. Однако для этого контроллер должен поддерживать резонансную частоту переключений, в противном случае возникнут искажения сигналов, как это показано на рисунках 2…4 ниже.

Графики работы LLC на резонансной частоте

Рис. 2. Графики работы LLC на резонансной частоте

Работа на резонансной частоте fs = fr

Каждый полупериод цикла коммутации включает полную передачу мощности. Резонансный полупериод совпадает с полупериодом коммутации.

По окончании полупериода коммутации резонансный ток индуктивности ILr достигает тока намагничивания ILm, а ток выпрямителя уменьшается до нуля.

Резонансный контур имеет единичное усиление и максимальный КПД. Коэффициент трансформации трансформатора выбирается исходя из заданных значений входных и выходных напряжений.

Графики работы LLC на частотах выше резонансной 

Рис. 3. Графики работы LLC на частотах выше резонансной 

Работа на частотах выше частоты резонанса fs> fr

За половину цикла коммутации передаётся только часть мощности по сравнению с рассмотренным случаем. В итоге резонансный полупериод не успевает закончиться до начала следующего полупериода коммутации. Следовательно, потери на переключениях силовых МОП-транзисторов на первичной стороне увеличиваются. На вторичной стороне потери также вырастают из-за жесткой коммутации выпрямительных диодов.

В данном случае входное напряжение преобразователя выше выходного. Такой режим может использоваться, если необходимо создать понижающий конвертор.

Графики работы LLC на частотах ниже резонансной

Рис. 4. Графики работы LLC на частотах ниже резонансной 

Работа на частотах ниже частоты резонанса fs<fr.

За половину цикла коммутации передаётся вся мощность, как и в первом рассмотренном случае. Однако, когда резонансный полупериод завершен и резонансный ток индуктивности ILr достигает тока намагничивания, период коммутации продолжается. Следовательно, потери на первичной стороне увеличиваются из-за продолжения циркуляции энергии.

В этом режиме входное напряжение преобразователя оказывается меньше выходного, и схема может быть использована для повышения напряжения.

Рассмотренные случаи – отличное обобщение для всего цикла статей. Здесь анализируются все токовые составляющие: ток выпрямителя, ток намагничивания и ток индуктивности рассеяния. Кроме того, предложенный анализ демонстрирует, насколько важно поддерживать резонансную частоту коммутаций для выполнения переключений при нулевых токах ZCS.

Второе преимущество LLC-преобразователей – возможность переключения входных транзисторов при нулевых напряжениях или ZVS. Это особенно эффективно при использовании выхода корректора коэффициента мощности 400 В (DC). Несмотря на то, что напряжение транзисторов при коммутации равно нулю, ток протекает через обратный диод на отрицательной полуволне, как это показано на рисунках 5 а, б.

Протекание тока через обратный диод

Рис. 5 а, б. Протекание тока через обратный диод

В данной серии статей были объяснены основные принципы работы LLC-преобразователя. Тем не менее я сам все еще не решил «проблемы» одновременной работы LLC-преобразователя и корректора коэффициента мощности. Если я их решу, то обязательно напишу еще одну статью по данной теме.

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:
    • Chapter 4 LLC Resonant Converter
    • Bo Yang Dissertation Appendices
  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
  15. LLC Power Conversion Explained, Part 4: Explaining the Operating Point and Various Modes of Operation
  16. LLC Power Conversion Explained, Part 5: Explaining the Gain Equation
Журнал: planetanalog.com
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

  • ()