ZVS1和ZVS2各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇？

迪龍新能源專注于車載充電機(jī)（OBC）、DCDC變換器和車載集成一體機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售，是全球知名車載電源供應(yīng)商。

公司將LLC諧振電路應(yīng)用于車載充電機(jī)上，使產(chǎn)品擁有高效率、高功率密度的核心優(yōu)勢(shì)。 我們特別邀請(qǐng)到迪龍新能源的工程師就LLC的一些關(guān)鍵問題做了解答。

01、LLC為何要工作在感性區(qū)域？

對(duì)于LLC網(wǎng)絡(luò)而言，存在感性、容性和純阻性三種狀態(tài)，根據(jù)輸入和負(fù)載變化而變化，如下圖LLC等效模型。

工作在純阻性區(qū)域是最理想的工作狀態(tài)，因?yàn)樽栊跃W(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素最高，網(wǎng)絡(luò)特性最好。

工作在容性區(qū)域電流超前于電壓，前級(jí)開關(guān)管容易實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷，這個(gè)區(qū)域比較適合IGBT。 工作在感性區(qū)域電壓超前于電流，前級(jí)開關(guān)管容易實(shí)現(xiàn)ZVS開通，這個(gè)區(qū)域比較適合MOSFET。 因?yàn)橹行」β孰娫雌毡槭褂肕OSFET，所以常規(guī)LLC拓?fù)?a target="_blank">開關(guān)電源選擇工作在感性區(qū)域。

02、ZVS1和ZVS2各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇？

LLC網(wǎng)絡(luò)存在兩個(gè)電感一個(gè)電容，也就是說存在兩個(gè)諧振點(diǎn)。 一個(gè)是Lr和Cr的諧振點(diǎn)，另一個(gè)諧振點(diǎn)由Lm、Cr和負(fù)載條件決定。 負(fù)載加重，諧振頻率將會(huì)升高，如下圖。

在整個(gè)感性區(qū)域都能實(shí)現(xiàn)ZVS，在ZVS1區(qū)不能實(shí)現(xiàn)次級(jí)整流管的ZCS關(guān)斷，存在反向恢復(fù)問題。

在ZVS2區(qū)可以實(shí)現(xiàn)次級(jí)整流管的ZCS關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)問題。

因此對(duì)于選擇工作在ZVS1還是ZVS2區(qū)域有不同看法。

從理論上來講，工作在ZVS2區(qū)域效率高于ZVS1區(qū)，越接近于諧振點(diǎn)，工作點(diǎn)效率越高，同時(shí)兼顧短路性能等問題。

03、LLC初級(jí)MOSFET是ZVS關(guān)斷還是ZCS關(guān)斷？

LLC工作在感性區(qū)域，因此開通是ZVS，但關(guān)斷既不是ZVS也不是ZCS，是硬開關(guān)關(guān)斷，損耗不可避免。 但對(duì)于MOSFET而言，開通損耗相對(duì)關(guān)斷損耗大很多。 對(duì)于LLC的ZVS而言是指開通時(shí)刻的ZVS，因此可以大大降低開關(guān)損耗。

04、為何計(jì)算LLC匝比的時(shí)候要用母線電壓的一半？

我們計(jì)算反激或正激電路的時(shí)都是使用母線電壓來設(shè)計(jì)匝比，但是LLC為何只使用母線電壓的一半來計(jì)算匝比呢？ 在LLC上管開通的半個(gè)周期內(nèi)母線給LLC網(wǎng)絡(luò)輸入能量，這個(gè)能量一部分直接傳遞給輸出。 另一部分儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，在下管開通的半個(gè)周期內(nèi)，依靠諧振電容和諧振電感輸出能量。 所以只有上半個(gè)周期母線給網(wǎng)絡(luò)輸入了能量，即時(shí)間的利用率是一半，等效于輸入電壓的利用率為1/2。

05、LLC分體諧振電容有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

LLC半橋諧振電路中，根據(jù)諧振電容的不同聯(lián)結(jié)方式，典型LLC諧振電路有兩種連接方式，不同之處在于LLC諧振腔的連接。

左圖采用單諧振電容Cr，輸入電流紋波和電流有效值較高，但布線簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。

右圖采用分體諧振電容C1、C2，輸入電流紋波和電流有效值較低。 C1和C2上分別只流過一半的有效值電流，電容量?jī)H為左圖單諧振電容的一半，比較而言，分體諧振優(yōu)勢(shì)不大。

06、LLC獨(dú)立諧振電感和集成諧振電感各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

集成諧振電感，這種方式是利用變壓器初級(jí)漏感來做諧振電感的。 優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，缺點(diǎn)是漏感很難控制，諧振參數(shù)不好調(diào)節(jié)，性能難做到最優(yōu)。 獨(dú)立諧振電感是通過外置一個(gè)諧振電感，同時(shí)控制主變壓器的漏感在很小的范圍內(nèi)。 優(yōu)點(diǎn)是容易調(diào)節(jié)諧振電感與勵(lì)磁電感低比例，優(yōu)化起來更靈活，容易調(diào)節(jié)到一個(gè)理想狀態(tài)。 缺點(diǎn)是增加了一個(gè)諧振電感增加體積，布線難度和成本增加。 因此一般功率較小的電源都更愿意使用集成諧振電感，成本相對(duì)較低，功率大的更愿意使用外置諧振電感，性能容易優(yōu)化。

07、LLC的開關(guān)管能否直接并聯(lián)？

彌勒電容Cgd對(duì)于MOSFET而言是寄生于柵極和漏極之間的電容。 對(duì)于硬開關(guān)電路而言，驅(qū)動(dòng)電流對(duì)Cgs和Cgd充電，并且開始開通，而在開通過程中，Vds電壓下降，所以Cgd開始放電。 此時(shí)需較大的驅(qū)動(dòng)電流要對(duì)Cgd充電，這會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓波形出現(xiàn)一個(gè)短暫的平臺(tái)，這就是所謂的米勒平臺(tái)。 關(guān)斷的時(shí)候，DS電壓急劇上升，DG電容會(huì)流過電流對(duì)GS電容充電，引起二次導(dǎo)通。 要消除開通時(shí)刻的彌勒效應(yīng)，在開關(guān)管即將開通的時(shí)刻DS電壓為零，即ZVS。

對(duì)于LLC而言，開關(guān)管是ZVS開通的，因此對(duì)于功率稍大的可以直接并聯(lián)開關(guān)管，不存在彌勒效應(yīng)或者說將彌勒效應(yīng)降到最低。

08、LLC的諧振電容和輸出功率有什么關(guān)系？

這里使用一個(gè)公式說明吧，很顯然，功率越大需要的諧振電容容量越大。

09、LLC是否適合做恒流輸出？

PWM的控制器輸出電壓可調(diào)節(jié)范圍可以做到很寬。 只要供電正常，IC就能做到輸出電壓范圍很寬的電源，這對(duì)于做恒流款電源而言具有很大優(yōu)勢(shì)。 LLC是PFM控制方式的，只能通過更改頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化，由增益曲線圖可以知道增益變化范圍相對(duì)很小。 要實(shí)現(xiàn)寬電壓范圍的輸出特性不好實(shí)現(xiàn)，輸出電壓越低，工作頻率越高，從而開關(guān)損耗和磁芯損耗都會(huì)加劇。 因此到了一定程度下只能通過限制IC的最高工作頻率，而通過跳周期方式來降低增益。 這樣就增加了環(huán)路調(diào)節(jié)的難度，跳周期紋波不好控制，性能也不是最優(yōu)，因此LLC不適合太寬范圍的恒流輸出。

10、滿足ZVS的兩個(gè)必要條件是什么？

ZVS前提就是電壓超前于電流，所以要滿足LLC整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都處于感性區(qū)域。 這是最基本的一個(gè)條件，還有一個(gè)條件往往被忽視。 要實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，勵(lì)磁電感峰值電流im必須在死區(qū)時(shí)間內(nèi)讓即將開通開關(guān)管的結(jié)電容放電。 直至電量放完，電壓降到零，而已關(guān)斷的開關(guān)管則同時(shí)將其結(jié)電容充電到輸入電壓。 因此，兩個(gè)功率開關(guān)管要實(shí)現(xiàn)ZVS，應(yīng)滿足如下的勵(lì)磁電感峰值電流Ipk與死區(qū)時(shí)間的關(guān)系。

其中，Vin為輸入總線電壓，Cj為MOSFET的結(jié)電容，tdead為死區(qū)時(shí)間。

當(dāng)電路工作于諧振頻率，諧振網(wǎng)絡(luò)電流為如圖所示的正弦波，其中im為勵(lì)磁電流。 在每半個(gè)開關(guān)周期結(jié)束時(shí)，勵(lì)磁電流達(dá)到最大值，與諧振網(wǎng)絡(luò)電流ir相等。

勵(lì)磁電感峰值電流可以得到：

其中Vo為輸出電壓，T為開關(guān)周期，Lm為勵(lì)磁電感，到Lm的值應(yīng)滿足：

由不等式得到的最大的勵(lì)磁電感Lm可以保證開關(guān)管的ZVS，然而，小的Lm將增大MOSFET的開關(guān)損耗。

由于這個(gè)被動(dòng)Lm負(fù)載，可以保證在任何負(fù)載情況下都能工作在零電壓開關(guān)狀態(tài)下。

編輯：黃飛

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