LLC谐振回路电流 (tank current) 分析与测量之一

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在许多应用中，都要求前端转换器具备宽输入电压范围和高效率。由于在宽输入电压范围时效率较低，因此大多数PWM DC-DC转换器都不能满足这些要求。因其电压增益特性和小开关损耗特点，人们提出使用LLC来实现高效率和宽输入电压范围要求「1」。这篇应用报告为您介绍对LLC谐振回路电流的分析。文章讨论和比较了功率电阻、电流变换器和电流探针三种电流测量方法，并介绍了这些电流测量方法的优点、缺点和应用情况。实验结果与理论分析相一致。
       
        1引言
       
        LLC是前端DC-DC转换器的最佳备选项，它可以满足宽输入电压范围和高效率要求。UCC25600专为使用谐振拓扑结构的DC/DC应用而设计，特别是LLC半桥谐振转换器。这种高度集成的控制器只有8支引脚，并使用小尺寸封装，它可以极大简化系统设计和布局，同时还可以缩短产品上市时间「2」。因此，我们把LLC半桥谐振转换器作为一个例子，来分析谐振回路电流。
       
        2谐振回路电流分析
       
        图1为一个LLC谐振半桥转换器电路。
       
        S1和S2为一次MOSFET. CS1和CS2为MOSFET漏极和源极之间的寄生电容器。
       
        DS1和DS2为MOSFET的体二极管。
       
        Lr和Cr为谐振电感器和谐振电容器。
       
        Lm为变压器的磁电感器。
       
        n为一次和二次线圈的匝数比二次整流器包含D1和D2. CO为输出电容器。
       
        RL为负载。
       
        Vin为输入电压，而VO则为输出电压。
       
        图1 LLC谐振半桥转换器
       
        LLC谐振转换器共有2个谐振频率：一个由Lr和Cr产生，如方程式1所示；另一个由Lr、Lm和Cr产生，如方程式2所示。一般而言，按照设计，正常输入电压时LLC工作在fr频率下，从而实现最佳效率。开关频率大于fr.一次MOSFET的ZVS可以实现，但是二次二极管的ZCS无法实现；它被称作LC串联谐振。当开关频率低于fr但高于fm时，可以同时实现ZVS和ZCS.由于某个时间内会出现Lr、Lm和Cr谐振，因此它被称作LLC串联谐振。在参考文献「3」中，大部分负载范围的开关频率均低于fr，因此本应用报告会对频率低于fr的工作情况进行分析。
       
       
        图2为fm<fs<fr的波形，半周期被划分为四部分。考虑到t2至t3的电压峰值，该周期情况如下图所示。所有方程式表明了功率参数的关系。
       
       
        图 2 fm<fs<fr的波形
       
        可以把它看作是一个DC电压源。图3显示了一个简化版电路。
       
        图 3 t2<t<t3的简化版电路
       
        所有参数如方程式3和4所示，谐振频率等于方程式5。由于Ceq，fr3远远大于fr1和fr2。
       
       
       
        我们对该周期内谐振回路电流值的变化进行研究，因此要求一个方程式来描述时域谐振回路电流。该周期的实际开始时间为t2，结束时间为t3。为了简化计算过
       
       
       
       
        一般而言，谐振回路电流分析常常会忽略iLr，因为它的值小于谐振回路电流的峰值，并且这种过渡周期远短于开关周期。但是，这种短过渡周期会给测量电路带来噪声。前述方程式可以验证测量结果是否为真。当为假时，应改进测量电路。