变换器实现 ZVS 的限制
全面了解LLC谐振变换器实现ZVS的条件,把变换器主电路变形成图所示形式。其中 Coss1、Coss2分别为开关管 S1、S2 漏-源极间的寄生电容,并且Coss1=Coss2= Coss 。Cstray为与谐振网络并联的等效寄生电容,则变换器在 ZVS 条件下 AB 间总电容为: CZVS= 2Coss+Cstra.
在开关 MOSFET 的驱动信号死区时间 Tdead内谐振电流完成对寄生电容的充放电,在此区间内开关 MOS 管端电压变化值△U=Vin(由 0→Vin 或者 Vin→0),这就是变换器原边开关管能够实现 ZVS的前提。所以为了保证变换器能够实现 ZVS,在每半个周期结束时的谐振电流必须大于在 Tdead内给 Czvs 完成充放电所需的最小电流.
由于 Tdead与开关周期相比过小,在 Tdead 内电流变化可忽略不计,则半周期结
束时谐振电流 IZVS可表示为
式中,IZVS决定输入电路的无功功率。ψ为变换器谐振网络的阻抗相角,即谐
振网络输入电流滞后于输入电压的相角。图 直观地体现了参数关系
IZVS还可表达为:
LLC 谐振变换器能够实现原边开关管 ZVS 的充要条件
空载和短路特性分析
1.空载特性
当变换器输出负载 RL→∞时,品质因数 Q=Zr/Re→0,此时可以得到变换器空载
时的电压增益表达式
当工作频率升高时, M(λ,fn,Q->0) 减小,输出电压降低。变换器工作在空
载情况时,电压增益曲线如下图所示
工作在空载条件时,变换器的电压增益存在下限,当变换器工作频率升高到一定的大小后,其电压增益就变成一个定值,导致变换器输出电压不可调。变换器空载时的最低电压增益为:
空载时,变换器除了存在输出电压不可调的问题以外,由于输出负载 RL极大,
变换器的变压器副边电流几乎为零,耦合到变压器原边的电流也可忽略不计,这会
导致谐振电流 ir 过小,给原边开关 MOS 管寄生电容充放电时间变长,可能会出现
在驱动信号死区时间内开关管体二极管无法导通的情况,会造成开关管 ZVS 条件
丢失.
2.短路特性
根据变换器输出电流定义和变换器的直流电压增益关系式,可以将变换器输出
电流 Io
变换器直流电流增益曲线,如图所示
随着变换器负载变小,它所对应的直流电流增益峰值升高。换而言之,LLC 谐振变换器输出电流随着负载的减小而升高。图中所有增益曲线均在fn=1 处达到峰值,所以当变换器负载固定时,变换器工作在谐振频率点时输出电流
最大。
此外,如图所示,变换器直流电流增益随着工作频率的增大迅速下降。因此,当 LLC 谐振变换器输出短路时,可以通过提高变换器工作频率,使其远离谐振工作点,来降低变换器直流电流增益以限制输出电流的大小,以保护变换器的安全。