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后级半桥三电平LLC电路的工作原理

作者:fanxiaoxi 时间:2024-06-11 收藏

前几天我们聊了充电桩地前级Vienna整流器的相关原理和调制方式,接下来我们来聊一聊后级的DC/DC转换电路——后级半桥三电平LLC电路。

直流充电桩的前级电路输出的母线电压在800V左右,采用半桥三电平LLC电路不仅可以将开关管上承受的电压应力降低为原来的一半,而且在圈电压范围内能实现主开关管的ZVS(零压开通)和整流二极管的ZCS(零电流关断)。

这样能够减小开关管和整流管上所承受的应力,提高寿命;同时,也可以减小开关损耗,提高整体效率。

今天我们就来聊聊后级LLC电路的工作原理

半桥三电平LLC的基本电路拓扑如下图:

主功率开关器件包括:原边的四个MOSFET(Q1~Q4)和副边的全桥整流二极管(D5~D8)。其中,D1~D4和C1~C4分别是各个MOS管对应的寄生二极管和结电容

谐振腔元件:Lr是谐振电感,包含线路中的电感和变压器的漏感;Cr是谐振电容;Lm是主变压器的励磁电感。C11和C12是分压电容,用来稳定谐振腔的正负输入电压;D11和D12是钳位二极管,实现开关管上的电压能够被钳位在输入电压的一半;C10是飞跨电容;Co是输出滤波电容。

LLC谐振电路根据功能可以划分为方波输入、串联谐振和输出整流滤波三大网络。其中最为关键的部分是串联谐振网络。根据串联电感和电容的谐振特性,可知LLC谐振网络具有两个谐振点。第一谐振过程(由谐振电感Lr和谐振电容Cr单独谐振)、第二过程(由励磁电感Lm和谐振电感Lr一起和谐振电容Cr共同谐振),构成的谐振频率点分别为:

LLC电路常用的控制手段是调频和移相控制。其中移相控制保证超前管Q1和Q4实现ZVS,但是Q2和Q3在轻载时难以实现ZVS,同时二极管还存在反向恢复问题,不利于电路的稳定性和效率,所以移相控制是增大输出电压的范围来作为补充控制。

为了开关管能够实现ZVS,故要使谐振腔呈现感性状态,其输入的高频方波电压的频率必然会大于谐振点的频率fr2。根据电路开关频率与谐振频率点fr1的关系可以分为三种状态:欠谐振、准谐振和过谐振。在这其中准谐振是电路最为理想的工作状态,即fs=fr1,此时的电路效率最高,且在半个周期结束时励磁电流iLM和谐振电路iLr恰好相等,输出整流管电流恰好减小为零,实现零电流关断。

一般,LLC谐振变换器借助于第二谐振过程来实现开关管的ZVS和输出整流管的ZCS,故其常工作于欠谐振状态下,下面我们以此来讲讲。

下图是欠谐振下的主要波形:

t0~t12是稳态下一个开关周期对应的时间,t0~t6和t6~t12分别对应正负半周期,正负半周期实现ZVS和ZCS的机理一致的,只是电流的流通路径相反,所以我们以正半周期聊一下。

①t0~t1

上桥臂两个开关管Q1和Q2同时开通,谐振元件为电感Lr和电容Cr,励磁电感Lm被输出负载钳位;谐振腔输入电压为+Vin/2,则谐振电流按照近正弦规律快速上升,励磁电流正向线性增大;

②t1~t2

t1时刻(励磁电流上升到和谐振电流相等),变压器上传输到二次侧的电流减为零,整流管D5和D6实现ZCS;励磁电感Lm也参与了谐振的过程,此时的谐振电流和励磁电流是同一个电流,并且以第二谐振频率发生谐振直到开关管Q1关断。为了避免环流加大电路损耗以及对变压器磁饱和的影响,此过程时间一般都比较短,所以我们可以认为这段时间内谐振电流不变;

③t2~t3

上桥臂的超前管Q1在t2时刻关断,Q1上的结电容C1通过飞跨电容开始接受Q4上结电容C4的电荷,也就是uc1上升,uc4下降;直到t3时刻uc1达到Vin/2,使得D11导通将其钳位。可知开关管上的最大电压是输入电压的一半;

④t3~t4

在t3时刻,uc1=+Vin/2,uc4下降为0;在D11导通后,谐振腔的输入电压变为0。

⑤t4~t5

此时,上桥臂的滞后管Q2在t4时刻关断,飞快电容D11的作用,uc2上升,uc3下降,则谐振腔的输入电压从0逐渐减小为-Vin/2;同时受到输入电压Vin和uc3的共同限制,uc2最大也就是Vin/2.由于谐振腔对外表现为感性,所以当谐振腔输入电压从零变为负是,谐振电流还是正向的。

⑥t5~t6

上桥臂的滞后管Q2在t5时刻完全关断,谐振腔的输入电压将变成-Vin/2,由于谐振电流的方向仍为正,那么谐振电流将流过Q3和Q4的寄生二极管,为其ZVS做准备。则随着谐振电流的快速变化,励磁电感上的电压将会大于输出电压折算到原边的电压,这样的结果就是励磁电感将会脱离谐振腔。



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