LLC 真的是天才发明

Posted on February 23, 2024

开关电源

传统上,交流电通过一个巨大的变压器进行变压。因为交流电通过磁耦合的方式传递能量。传递能量的频率为交流电的频率。每次传递的能量取决于变压器铁芯的磁通量。磁通量从最大到最小,最小到最大, 经历一次能量传递。

变压器要增大功率,要么增加磁通,要么提高频率。显然工作在50hz交流电下的变压器,只能选择增大磁通的方式增加功率。由于材料能承受的磁通量密度是有上限的。过大的磁通密度会饱和。所以变压器要增加功率,只能增加体积。

而开关电源,则另辟蹊径,使用晶体管的开关功能产生高频的交流电,从而摆脱了 50hz 的频率限制。

于是,体积很小的变压器就可以传递很大的功率。

在如何产生高频交流电的问题上, 产生了很多种路径。

反激,正激,推挽,全桥。

当中最为广泛使用的,属反激。但是不管是反激,正激,推挽还是全桥,变压器的漏感,都属于有害的东西。要尽量减小。 所谓变压器的漏感,指变压器初级的一部分能量没有传递给次级,而是滞留在初级,导致初级滞留的能量最后在开关管关断的时候要释放出来。 这部分释放能量需要在初级电路里消纳掉,导致电源整体效率下降。

漏感利用

人类历史上很多东西的进步都来自变废为宝。比如 LLC 的发明,就将废物的漏感变成了宝。

要理解 LLC 首先要理解 LC。L 和 C,一个电压滞后,一个电流滞后。搭配起来干活的时候,恰好会反复将对方滞后。。。 也就是俗称的振荡。 也就是一个 L 一个 C, 就构成了一个振荡电路。电流会反复的在 L 和 C 之间徘徊。

变压器的初级绕组,也是一个线圈绕在铁芯上。他就会是一个电感。在进行电路分析的时候,变压器的电感会被拆分成2个。一个是主电感,一个是漏电感。主电感负责把能量传给次级。 漏电感。。。漏电感负责搞事情。

这搞事情的漏电感,在 LLC 的眼中,却是好东西。因为他可以和电容构成 LC 振荡。因为主电感把能量输送给次级后,自身就没有能量了,也就是说,变压器的次级接了负载后,主电感的感量就被消耗掉了。 所以,没有漏感的理想变压器,反而不能引起 LC 振荡。必须得再搭配一个L。而反正非理想变压器免费送一个漏感。于是 LLC 就把这个漏感笑纳了。

在 LLC 里,漏感(固定值),主电感(随负载变动),电容三者构成了一个谐振电路。这个谐振电路恰好能产生交流电,然后这个交流电又恰好发生在变压器的线圈里,于是这个谐振能量就传递给了变压器的次级。

随着负载的变动,谐振点也会跟着移动。如果驱动电路产生的 pwm 频率和谐振频率不同,就会损失效率。表现为次级电压下降。因此采集次级的电压,可以用于修正 pwm 的频率。让 pwm 的频率始终保持在谐振频率上。因为,如果 pwm 的频率和谐振频率相同,就会产生一种神奇的效果。 就是 MOS 管开关的时间点,正好在谐振电压为0的地方。也就是,产生了 0 压开启的效果。使得mos管的开通损失降为0。

因此 LLC 的次级电压反馈,主要目的不是为了调整占空比稳压(因为 LLC 始终使用 50% 的占空比,也就是pwm只是单纯的维持谐振电路,而不是调节占空比来调压),而是为了跟踪谐振频率。

漏感和谐振频率

如此说来,其实无漏感的变压器,其实也能 LLC?

理论上是的,但是实际上如果漏感太小,在重载的时候,由于主电感能量几乎完全传递给了次级,会导致 LC 振荡里, L 太小,导致谐振点无限升高。 为了维持谐振频率在一个可接受的范围,LLC 就要求变压器必须要有漏感,而且还是很大的漏感。这样可以保证即使全负载工作,主电感的感量完全被耦合干净了,LC振荡的条件还在。而且因为漏感较大,不至于把谐振点推高到 pwm 频率跟不上的地方。

但是漏感过大,也不行。因为这意味着同功率下变压器体积要变大。而且漏感大是因为耦合度低。而耦合度低本身又会带来更大的变压器铁损。反而效率降低。 因此, LLC 的变压器,不能任意提高漏感。

但是,漏感越高,确实谐振点随负载变动而偏移的就越少。但是,漏感也无需特意做的很大。因为在谐振点较低的时候,是变压器轻载的时候。(轻载的时候,主电感的感量大) 此时 pwm 即使高于谐振点,也因为初级线圈电流较低,而不会有很大的开关损失。因此, LLC 只要考虑在中高负载的情况下, pwm 控制器产生的频率范围,能覆盖 LLC谐振器的谐振点即可。如此一来,轻载的情况下,也无需降低pwm频率来匹配谐振点。而是直接工作在过谐振状态。

LLC变压器的谐振点范围是 >=1/(2π·(漏感+主电感)*电容 ), <=1/(2π·漏感*电容 )。更准确的来说,是 1/(2π·(漏感+(主电感*空载率))*电容 )

pwm 的频率,需要 >= 谐振点。不能小于谐振点。因为小于谐振点,和大于谐振点,都会损失效率。小的情况下还会损失多点。

一般漏感取总电感的 20%,按负载 50% 的情况下开始进入谐振,则谐振频率的最大最小 相差 1.667 倍。也就是说,如果重载的时候, 谐振频率是 500khz , 则 50% 负载的时候, 谐振频率是 300khz. 更低的负载情况下,pwm 频率维持在 300khz 进入过谐振状态。虽然会损失点效率,但是负载降低了,总的损失也是降低的。这样谐振控制器就只需在一个较小的 300khz-500khz 的范围内进行谐振点跟踪即可。

如果还想缩小谐振频率范围,就不能继续做大漏感了。而是应该考虑一个外置电感构成 LLLC 谐振了。:)

谐振为啥可以实现零压开启

变压器绕组和电容进行谐振的时候,绕组的自感电压会和直流母线的电压进行叠加。叠加的结果就是 MOS 管源漏极上的电压,也会呈现正弦变化。在源漏极上的电压跌到最低的时候开启 MOS 管,就可以让MOS的导通损失最小。只不过关断的时候无法实现零压关断。因为 MOS 管关闭的时候 LLC 才会自谐振。MOS 管打开的时候, LLC 的电压被迫和母线电压一致。所以在 MOS 开启期间,无法做到电压因为谐振而自发降低。

谐振

总的来说, LLC 之所以效率高,主要其实是利用了谐振。而不是完全靠 MOS 强推电流。

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