實(shí)例講解半橋LLC效率低下原因及解決

1、LLC電路擁有開(kāi)關(guān)損耗小的特點(diǎn)，適用于高頻和高功率的設(shè)計(jì)。但很多人會(huì)遇到自己設(shè)計(jì)出的LLC電路功率偏低的問(wèn)題，導(dǎo)致LLC電路功率低下的問(wèn)題多種多樣，本文將以一個(gè)半橋諧振LLC為例，全面的觀察功率低下的原因，并試著給出相應(yīng)的解決辦法。在這個(gè)例子當(dāng)中，LLC和PFC基本都在運(yùn)行，但效率僅為88%，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得出如下一組參數(shù)，能獲得87-88%的效率，便無(wú)法在繼續(xù)提高。下面是諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)和波形。PFC鐵硅鋁磁環(huán)AS130，外徑33mm，磁導(dǎo)率60，電感量330uH,75圈0.75MM銅線。PFC二極管：MUR460；PFCMOSFET:7N60；PFC輸出電壓395V，能正常運(yùn)行；負(fù)載：輸出24

2、V,6A146W；LLC級(jí)諧振網(wǎng)絡(luò)：諧振電感：Ls175uH；諧振電容：Cs，15nF；勵(lì)磁電感：Lm,850uH；M=Lm/Ls=5；Q=0.5；Fr=100KHZ；磁芯：EER3542/Np44/5/5變壓器匝比8.5，初級(jí)3股0.4，次級(jí)6股0.4。開(kāi)關(guān)：7N60二極管20/150肖特基（沒(méi)有特意匹配適合的功率器件，經(jīng)過(guò)計(jì)算二極管用60V就可以了。）滿(mǎn)載150瓦開(kāi)關(guān)頻率82K，略低于諧振頻率，波形如圖1所示，看起來(lái)算是正常。圖1黃色為半橋中點(diǎn)藍(lán)色為用電流互感器測(cè)試到的諧振網(wǎng)絡(luò)的電流波。下面就針對(duì)效率低下的問(wèn)題，找出了幾個(gè)思考點(diǎn)，試著從中找出效率低下的原因。思考1因?yàn)楣ぷ髟诘陀谥C振頻率時(shí)，

3、也是ZVS狀態(tài)，而且次級(jí)能ZCS。所以也是比較有吸引力。但是初級(jí)MOSFET關(guān)斷電流為勵(lì)磁電感的最大電流，所以較低的勵(lì)磁電感會(huì)造成MOSFET關(guān)閉耗損加大。在第一次的參數(shù)中初級(jí)勵(lì)磁電感只有550uH,針對(duì)這點(diǎn)重新計(jì)算了諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，將勵(lì)磁電感提高到了850uH，但是問(wèn)題依然是存在。相比550uH的勵(lì)磁電感而言但是效率還是有一點(diǎn)提升的，至少在空載時(shí)看到的勵(lì)磁電感電流的峰值是下降了。圖2思考2：次級(jí)二極管在初級(jí)的諧振網(wǎng)絡(luò)電流等于勵(lì)磁電感的電流后停止傳遞，自然阻斷ZCS。但是在滿(mǎn)載時(shí)候振蕩嚴(yán)重，這一現(xiàn)象是否會(huì)惡化效率，還是說(shuō)并無(wú)影響？滿(mǎn)載150瓦，次級(jí)二極管電壓波形，沒(méi)有測(cè)試電流波形。圖3思考3：

4、因?yàn)榭紤]的過(guò)載保護(hù)使用了二極管鉗位和兩個(gè)諧振電容的方案，不知這樣是否對(duì)效率存在影響。針對(duì)這幾點(diǎn)思考，下面給出了相應(yīng)的修改意見(jiàn)。建議1增大點(diǎn)工作頻率，或者說(shuō)測(cè)試下實(shí)際諧振電感的感值和諧振電容容值，計(jì)算諧振頻率，將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)的略大于諧振頻率比較好，因?yàn)橛捎谒绤^(qū)的原因會(huì)導(dǎo)致等效的開(kāi)關(guān)頻率減小。建議2在滿(mǎn)足增益的條件下，在重載時(shí)開(kāi)關(guān)頻率不要過(guò)低，因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致在重載時(shí)副邊的漏感和原邊的節(jié)電容進(jìn)行諧振。建議3整機(jī)效率偏低，需要首先將PFC和DCDC部分分開(kāi)測(cè)試，觀察是由哪部分引起效率偏低的。單純?nèi)ピ龃髣?lì)磁電感，雖然是減小了勵(lì)磁電流，但是對(duì)實(shí)現(xiàn)ZVS條件不利，為了實(shí)現(xiàn)ZVS就需要更長(zhǎng)的死區(qū)來(lái)彌補(bǔ)了。效率不一定

5、會(huì)有提升。建議4如果是PFC部分效率因?yàn)楣β时容^小，建議采用CRM或者DCM模式，如果空間不是問(wèn)題，可以采用鐵氧體來(lái)提升效率。效率與很多因素有關(guān)系，沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)的參考值。在半導(dǎo)體器件選型的基礎(chǔ)上通過(guò)修改諧振元件的參數(shù)盡量去優(yōu)化效率就可以了。Q值可以算出來(lái)，在波形上也可以看出來(lái)。次級(jí)零流關(guān)斷后勵(lì)磁電流還在上升，就是諧振電容容量偏大了?；蛘呖梢韵劝汛渭?jí)繞組的截面積加大，再觀察一下效率。進(jìn)一步修改采用了上述的建議之后，再次進(jìn)行試驗(yàn)。這次滿(mǎn)載30分鐘測(cè)試得到的效率，在89.6%，與上次的參數(shù)相比效率提高了1%以上。下面是這次的各種參數(shù)：Vacin=220VVpfcin=396VVo=24VIO=6AC

6、ORE:EER3542/PC40Ls=173uHM=5Lm=850uHCs=14nFFs=103KHzGnor=1.118Gmax=1.165Gpk=Gmax*1.1=1.28N=9Qe=0.52圖4從參數(shù)的思考：電感量的加大，減弱了勵(lì)磁電流的的幅度,減少了初級(jí)MOSFET的關(guān)斷耗損。初級(jí)匝數(shù)的減低，從44減低到36。次級(jí)電流密度加大從6跟0.4加大到8跟0.4。峰值增益沒(méi)有考慮最低輸入電壓360V，而是從380V開(kāi)始計(jì)算，因?yàn)樾枰淖畲笤鲆妫ǚ謮壕W(wǎng)絡(luò)的分壓比）需要的較小，只需要1.16，只考慮10%的余量（實(shí)際增益到峰值），滿(mǎn)足輸出電壓所需要的網(wǎng)絡(luò)分壓比只需要1.28。根據(jù)Q值表選擇到0.5

7、2。然后得到諧振網(wǎng)絡(luò)的元件值。由于有較大的諧振電感所以需要初級(jí)和次級(jí)之間的物理距離加大到6-8mm，才能保證170uH的漏感。通過(guò)控制初級(jí)和次級(jí)之間的物理距離能得到合適的漏感量。E開(kāi)關(guān)頻率依然低于的預(yù)計(jì)諧振頻率，應(yīng)該要把開(kāi)關(guān)頻率提高到諧振頻率附近。（不足之處開(kāi)關(guān)頻率依然低于諧振頻率太多）將初級(jí)的36圈，降低到34圈，匝比為8.5。但是由于初級(jí)匝數(shù)的降低漏感也發(fā)生了變化，于是需要對(duì)發(fā)生變化的漏感Ls=155uH，重新計(jì)算了諧振網(wǎng)絡(luò)的值，Cs=12nF諧振頻率接近115KHZ。勵(lì)磁電感為750uH。當(dāng)調(diào)整好參數(shù)滿(mǎn)載時(shí)，確實(shí)發(fā)現(xiàn)：通過(guò)減低匝比來(lái)降低滿(mǎn)載時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)的增益值，確實(shí)而有效的提升了開(kāi)關(guān)頻率。

8、滿(mǎn)載時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率為109K，諧振頻率為115K，已經(jīng)比較接近。觀察電流波形，也有比較好的效果。如圖5所示。圖5本篇文章對(duì)LLC電路效率較低的問(wèn)題進(jìn)行了較為實(shí)際的，且全方位的分析，并且給出了同樣全面地整改方法。如果大家也在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中遇到了同樣的問(wèn)題，不如仔細(xì)閱讀以下本篇文章，或許就能找到相應(yīng)的解決方法。半橋LLC電路中的波形從何而來(lái)？2014-11-24 11:42 來(lái)源：電源網(wǎng) 作者：鈴鐺半橋由兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件組成，以中間點(diǎn)為輸出，向外提供方波信號(hào)。LLC電路是一種包含了電容、電阻、電感等元件的電路網(wǎng)絡(luò)。在半橋LLC當(dāng)中，存在著各種各樣的波形，那么這些波形是如何產(chǎn)生的呢?

9、這些波形又為何存在?圖1如果想要對(duì)半橋LLC所產(chǎn)生波形進(jìn)行分析，首先就需要從基本的諧振電路開(kāi)始入手。圖1是半橋LLC電路中經(jīng)常被來(lái)用作參考的波形圖，雖然給出了波形，但是卻沒(méi)有給出產(chǎn)生的原因。LLC的之所以可以做到軟開(kāi)關(guān)，特別是FSW>FR1、FR1=FSW、FR1>FSW>FR2這三個(gè)區(qū)，是針對(duì)MOS管來(lái)說(shuō)的，不是ZCS，而是ZVS，因?yàn)镸OS在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，開(kāi)通損耗占很大比例，相反IGBT關(guān)斷時(shí)由于尾拖電流造成的損耗就要比開(kāi)通過(guò)程的損耗大，所以IGBT如果滿(mǎn)足ZCS損耗就要小得多。之所以LLC諧振腔要呈感性，是因?yàn)樾枰妷撼半娏鳎梢詫⑸瞎荛_(kāi)通時(shí)，想象成正弦電壓剛好從0&#

10、176;開(kāi)始加在諧振腔里），一旦呈感性，則諧振腔的電流在上管開(kāi)通前的流通方向是負(fù)的，正是因?yàn)檫@個(gè)負(fù)電流，才能給上管放電、下管充電，使得上管MOS兩端的電壓為0，開(kāi)通前為0了，那么開(kāi)通時(shí)便實(shí)現(xiàn)了ZVS。如果呈容性，同理可知上管開(kāi)通前，諧振腔電流方向?yàn)檎?，下管靠體二極管來(lái)續(xù)流，上管截止，當(dāng)開(kāi)通的時(shí)候，下管體二極管由于反向恢復(fù)時(shí)間的存在，有可能會(huì)使母線電壓短路，從而炸管。但是可以利用此特性，在上管關(guān)斷前，諧振腔電流為負(fù)，實(shí)現(xiàn)ZCS，使得IGBT也可以適用LLC此類(lèi)拓?fù)?。?dāng)諧振腔電流與勵(lì)磁電流相等后，沒(méi)有電流流入“理想”變壓器初級(jí)繞組內(nèi)，所以初級(jí)繞組并未被鉗位到NVO，此時(shí)勵(lì)磁電感就呈現(xiàn)出電感的性質(zhì)，

11、所以此時(shí)諧振頻率將改變成“L+L+C”，所以電流波形是一個(gè)斜坡（其實(shí)是一段曲線，因?yàn)槭钦也ǖ囊恍《?，所以次邊電壓為一條斜線，二階的導(dǎo)數(shù)是一階，就是一條線性的斜線）。當(dāng)fsw>fr1時(shí)，此時(shí)勵(lì)磁電感并不參與諧振，圖1中電流波形之所以會(huì)突然被拉下來(lái)，是因?yàn)樯瞎荜P(guān)斷后，勵(lì)磁電流與諧振電流仍不相等，所以勵(lì)磁電感兩端電壓會(huì)被鉗位在nVo，而此時(shí)諧振電容上有電壓，所以電流會(huì)呈現(xiàn)(Vc-nVo)/Lr的斜率下降，諧振電流被“拉”到與勵(lì)磁電流相等。圖2LLC的核心思想是通過(guò)f（頻率）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓原理。詳細(xì)原理如圖2所示。那么LLC是如何實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的呢?這里提到一點(diǎn)，即開(kāi)關(guān)頻率一定要大于最小諧振頻率（即由Cr和Ls、Lp的諧振頻率）; 為什么呢?因?yàn)?，這里必須保證這個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)為感性負(fù)載（電感的阻抗大于電容的阻抗）。為什么要這樣呢? 看下面的圖：圖3接下來(lái)解析一下圖3，設(shè)左邊最端點(diǎn)處的為零點(diǎn)（圖中為標(biāo)出），則由FHA可知，在半橋中點(diǎn)的電壓可以等效為 Vs=(2Vin/pi*sinw1t) ; 由于負(fù)載成感性，那么電流必將滯后電壓，即Ip=A*sin(w1t-a), A表示一個(gè)常數(shù)，a為滯后的相位。 這樣，在零電壓即VS=0的時(shí)候，流過(guò)Mos管的電流為負(fù)值即通過(guò)體二極