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恒运平台登录:轻负载下有限责任公司拓扑中如

    Time: 2019-04-22来源:admin
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任何人。 介绍 电子工程专辑

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近年来,LLC拓扑已广泛应用于照明驱动、电视电源、工业电源、服务器/PC电源、通信电源等消费类和工业DC-DC级。 这是因为它具有良好的特性,如全负载范围内初级开关管的零电压导通( ZVS )、次级二极管或同步整流开关的零电流关断( ZCS )、良好的电磁干扰特性(高频噪声成分较少)、电路结构简单、成本低等。。 下图显示了典型的半桥全波整流有限责任公司拓扑。 电子工程专辑
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图1 :半桥有限责任公司拓扑 电子工程专辑
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对于有限责任公司拓扑,根据最常用的基本近似方法( 一次谐波近似,FHA,基本元素简化,费斯)[ 1 ] 计算出的DC增益曲线,即使负载很轻甚至为零,只要工作频率足够高,输出电压必须是可控的,即可以稳定在规范要求内。。 然而,在采用这种拓扑的大量产品中,可以发现在轻负载下,输出电压不能稳定在规格要求范围内,即。e。 尽管有限责任公司已经在非常非常高的频率下工作,但它通常高于规范要求。。这与当前的理论分析不一致。因此,有必要对轻载和空载条件下的DC增益曲线进行重新分析和计算,以找出影响DC增益的因素,并找到解决问题的方法。 电子工程专辑
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2。 等效并联寄生电容对变压器DC增益曲线的影响 电子工程专辑

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用FHA /费斯方法计算有限责任公司的DC增益曲线时,实际上已经考虑到了有限责任公司变压器模型中的漏电感:对于谐振电感是独立电感的应用,由于漏电感和谐振电感是串联关系(次级侧的漏电感等效于初级侧的漏电感),谐振腔的谐振电感是设计的谐振电感和漏电感的叠加值。对于谐振电感和变压器的集成方案,变压器漏感就是谐振电感。然而,在计算中不考虑初级绕组和次级绕组之间的分布电容以及次级整流二极管或同步整流金属氧化物半导体场效应晶体管的输出电容。在考虑了这些寄生电容后,变压器模型和有限责任公司等效电路如图2 - 3所示。2和3。分别是[ 3 ]。 电子工程专辑
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图2考虑次级侧寄生电容的变压器模型 电子工程专辑
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无花果。考虑二次侧寄生电容的3 LLC等效电路模型 电子工程专辑

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根据图1所示的结构。图2中变压器初级侧的等效并联寄生电容Cp。3是: 电子工程专辑
cp=cpw+(2(csw+csoss))/〖nps〗^2 ( 1 ) 电子工程专辑
Cpw、Csw和Csoss分别是变压器初级绕组的分布电容、变压器次级绕组的分布电容和输出整流二极管或同步整流管的等效输出电容,Nps是变压器初级侧和次级侧的匝数比。 电子工程专辑
根据图1所示的等效电路。3、计算的有限责任公司DC增益为: 电子工程专辑
g = (〔)〗^2 ( m-1))/√(〖qe〗^2 )〕(〔)〗^2-1)〗^2 〖(m-1)〗^2 ( )〗^2+m^2 )〕〔)〗^2-1/m-((m-1)/m)〖(f/fr )〗^2 ( )〗^2)〗^2 )〕 电子工程专辑
( 2 ) 电子工程专辑
其中: 电子工程专辑
m = Lp / Lr ( 3 ) 电子工程专辑
f _ r = 1 / ( 2 & pi;√( Lr Cr ) ) ( 4。) 电子工程专辑
f _ z = 1 / ( 2 & pi;√( Lr Cp ) ) ( 5 ) 电子工程专辑
q _ e =√( Lr / Cr ) * 1 / Rac ( 6 ) 电子工程专辑
r _ AC = 8 / & pi。^2 *〖nps〗^2*vout/iout ( 7 ) 电子工程专辑
以LLC谐振转换器的设计参数为例: Lp = 1400uHlr = 165 Uh;Cr=68nF,Nps=16。7。对于图4所示的LLC转换器,阻抗分析仪用于测试板上变压器的初级等效电容(图中蓝点为测试端),初级等效电容Cp根据测试获得的阻抗曲线计算如下: 电子工程专辑
CP = 269 pf ( 8 ) 电子工程专辑
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无花果。采用有限责任公司拓扑的开关电源变压器初级侧4个等效并联电容测试端子 电子工程专辑
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根据公式( 2 ),增益曲线族可以在不同品质因数q值(对应于100%负载~ 1 %负载)下计算,如图。5。 电子工程专辑
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无花果。5考虑变压器寄生电容后的DC增益曲线 电子工程专辑

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在相同条件下,不考虑寄生电容的增益曲线族如图2所示。6。 电子工程专辑
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无花果。6不考虑变压器寄生电容的DC增益曲线 电子工程专辑

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从图5和图6的比较可以看出,由于变压器初级绕组中存在等效寄生电容,在高频增益曲线中出现另一个电感并联电容谐振点,导致轻负载下增益曲线随着频率的增加而变高,负载越轻,这种现象越明显。这将导致轻负载下输出电压不稳定。相同负载(以10 %负载为例)和不同初级寄生电容( 500pF~50pF )下的增益曲线如图所示。7。从图中可以看出,寄生电容越大,谐振点越低,对有限责任公司增益曲线的影响越大。只有当寄生电容小于50pF时,它对增益曲线的影响才可以忽略。 电子工程专辑
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无花果。7不同寄生电容下的DC增益曲线 电子工程专辑
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随着工作频率的进一步提高,变压器中更多的寄生电容和电感将影响有限责任公司的工作模式,使有限责任公司拓扑成为多元件谐振拓扑,增益曲线将有多个谐振点,有限责任公司特性将变得更加复杂。 电子工程专辑
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3。初级MOSFET等效输出电容对DC增益曲线的影响 电子工程专辑

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对于有限责任公司拓扑,在主金属氧化物半导体场效应晶体管( I。e。一个开关管断开,另一个开关管接通),激励电感将与初级场效应晶体管的输出电容谐振,部分谐振能量将转移到次级侧,导致输出电压在空载和轻负载条件下上升。初级场效应晶体管的输出电容对有限责任公司拓扑的DC增益曲线的影响以及不同场效应晶体管输出电容对DC增益的影响如图所示。8[ 7 ]:电子工程专辑
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无花果。8不同初级场效应晶体管输出电容对轻载DC增益曲线的影响 电子工程专辑

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当场效应管的输出电容很小时,轻负载下的DC增益曲线会向上翘曲,使得输出电压不能保持在规范范围内。 电子工程专辑
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4。保持输出电压稳定的措施 电子工程专辑

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根据本文第二部分的分析,由于变压器等效初级电容和初级场效应管小输出电容的存在,LLC的增益曲线随着高频带工作频率的增加而增大,导致轻载时输出电压不能保持在规范范围内。这对于大多数开关电源来说是不可接受的。下一节将介绍解决这一问题的一些措施: 电子工程专辑
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4。1降低变压器等效并联电容
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这是解决问题最直接的方法,但也是最难实施的方法。由于变压器的寄生电容在任何情况下都存在,因此可以采取的措施是尽可能减小电容。文件[ 3 ]给出了一个绕组变压器的建议,称为“分裂绕组法”。它的寄生电容只有传统并联绕组方法的十分之一。文件[ 4 ]提出了一种寄生电容非常小的“渐进”绕组方法。然而,这些绕组方法通常会导致绕组的更高复杂性,从而增加变压器的价格。 电子工程专辑
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4。2 LLC在打嗝模式下工作 电子工程专辑
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在轻负载下,有限责任公司拓扑进入突发模式,这是一种常用的控制策略。一方面,该策略可以将输出电压保持在规范范围内,另一方面,降低了轻负载下的输入功率,提高了轻负载下的效率。无花果。9是典型打嗝模式下的关键波形[ 5 ]。然而,打嗝模式会导致输出电压纹波变大,这在某些应用中是不可接受的,例如服务器电源、PC电源等。 电子工程专辑
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无花果。9打嗝模式下LLC关键波形示意图 电子工程专辑
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4。3谐振电感并联电容器 电子工程专辑
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对于谐振电感是独立电感的应用,文献[ 6 ]提出了多谐振有限责任公司方案,即。e。如图1所示,电容器并联到谐振电感器。10,从而产生新的LLC谐振点f02,并且 电子工程专辑
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无花果。10多谐振有限责任公司拓扑 电子工程专辑
f02 = 1/2 & pi;1 / √( Lp Cp ) ( 9 ) 电子工程专辑
原始谐振频率也略有变化,其值为: 电子工程专辑
f01 = 1/2 & pi;1 / √( Lr ( Cp + Cr ) ) ( 10 ) 电子工程专辑
新的增益曲线如图11所示。 电子工程专辑
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无花果。多谐振有限责任公司变换器的11 DC增益曲线 电子工程专辑

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由于增益曲线在fw=f02时为零,理论上多谐振LLC拓扑的输出电压在任何负载下都可以低至零。在设计中,有必要选择合适的Cp,以确保LLC的最大工作频率不超过f02。。 电子工程专辑
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4。4初级场效应晶体管并联电容器
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根据第三部分的分析,初级场效应晶体管的输出电容越大,相同工作频率下的DC增益曲线越低。e。输出电压越容易控制在规格范围内。因此,在选择初级场效应晶体管的前提下,还可以通过并联电容增加等效输出电容来控制输出电压。这种方法简单易行,但缺点很明显:输出电容的增加会导致场效应晶体管开关损耗的增加,从而降低转换效率,特别是在轻负载下,效率的降低是明显的。 电子工程专辑
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4。5增加变压器一次侧和二次侧的匝数比 电子工程专辑
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根据图1。6至图。8、无论变压器的初级等效并联寄生电容还是初级MOSFET输出电容影响DC增益曲线,它都发生在工作频率高于谐振频率时。因此,通过增加变压器初级侧和次级侧的匝数比(主要是通过增加变压器初级绕组的匝数比),LLC拓扑在轻负载下工作在谐振点附近,寄生参数对输出电压的影响可以忽略,从而在轻负载下输出电压可以更容易地稳定在规格范围内。当然,这种设计需要考虑满载和过流保护前的DC增益峰值足够高,以确保这些条件下输出电压的稳定性。 电子工程专辑
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4。6降低次级二极管/同步整流管的寄生电容
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根据第2部分的分析,变压器初级侧的一些等效并联电容是次级二极管或同步整流器的等效输出电容,因此选择输出电容较小的二极管或场效应晶体管将有助于稳定输出电压。与二极管串联的金属氧化物半导体场效应晶体管与输出二极管或同步整流管并联,电路将部分能量反馈到初级侧,从而在轻负载和空载下保持输出电压的稳定性。 电子工程专辑
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4。轻负载下闭合同步整流管 电子工程专辑
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对于次级侧是同步整流的设计(场效应晶体管是次级侧开关管),在轻负载下关闭同步整流驱动将有助于保持输出电压稳定。当同步整流驱动关闭时,次级侧通过场效应晶体管体二极管续流,体二极管的压降在0。7V ~ 1。2V,比同步整流开启时的电压降高得多( V = 1D * R _ ( DS (开) ),因此在相同输出电压下所需的次级绕组的输出电压更高。当然,关闭同步整流驱动也有其他问题。当负载突然增加,需要开启同步整流驱动时,由于上述压差的存在,输出电压会过冲,因此在设计中应综合考虑该措施的可行性。 电子工程专辑
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5。摘要 电子工程专辑

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本文从理论上分析了轻载和空载条件下有限责任公司拓扑结构的输出电压超过规范要求的现象。证明变压器一次侧等效并联电容和一次侧场效应管输出电容的存在导致了这一问题。据此,本文提出了多种可行的解决方案来实现输出电压的稳定。本文将为电力开发工程师解决有限责任公司拓扑轻负载下的高输出电压问题提供有益的参考。 电子工程专辑
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关键词:轻负载下有限责任公司拓扑中如何解决高输出电  

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