LLC的应用
国内规范规定了 75W以上的功率必须配置FPC模块,因为如果没有pfc校正电路,AC整流后直接连接大电容滤波,由于容性负载为强非线性,因此电网电流不再是平滑的正弦波,而是一连串又高又窄的尖峰脉冲,大量此类设备接入电网会导致中线过载,变压器过热,电压畸变,干扰其他设备正常运行,严重时甚至引发火灾
GB 17625.1 对不同设备(Class A/B/C/D)规定了各次谐波电流的最大允许幅值。关键在于豁免条款:对于A、B、D类设备,额定功率≤75W时,不进行谐波电流测试;一旦超过75W,就必须接受严格的谐波限值考核
当输入交流电(AC)掉电时,为了确保设备能正常运行一段时间(即维持Hold-up Time),需要由母线电容(Chdup)释放储存的能量来供电。在这个放电过程中,后级的DC/DC变换器必须具备宽输入电压范围,能够在母线电压(Vbus)持续下降的情况下,依然维持稳定的输出电压(Vo),以保证设备的正常工作。(隐形的要求当断电或,DC/DC模块可以维持一段工作时间)
在电源模块小型化(高功率密度)的趋势下,我们希望尽可能减小母线电容的体积。根据能量守恒定律(如图中公式),要在掉电时维持固定的能量输出,如果电容容值(C)越小,那么允许DC/DC工作的最低母线电压(Vmin)就必须越低。因此,如图表所示,通过采用宽工作范围的DC/DC变换器来降低Vmin,可以有效减小所需Hold-up电容的容值,从而缩减整体电源体积。
在电力电子设计中,最重要的思想就是:工程权衡与应用场景适配
双管正激(Two switch forward) 作为中低功率(100~500w) 的王者,相比于单管正激,将开关管的应力钳位在输入电压,没有单管正激对应的高压,而且相较于半桥/全桥,没有上下管直通的风险,在2000年左右大量的pc电源,工业电源都在用;
半桥(half bridge):中等功率(500~1kw)的性价比首选,开关管只需承受Vin的电压应力,变压器单向励磁(需要隔直电容防偏磁),常用于早期的服务器电源和焊机中。
全桥(fall bridge):大功率(1kw以上)的绝对主力,变压器双向励磁,利用率最高,可能存在直通风险(需要死区时间控制),在大功率下,效率最高,一般用于通信基站,大型UPS。
次级整流:低压大电流 VS 高压小电流 (副边的选择,依赖于输出电压和输出电流)
- (a) Half Wave Rectifier(半波/单端正激整流) :结构最简单,常用于几十瓦到一两百瓦的小功率辅助电源。
- (b) Full Bridge Rectifier(全桥整流) :高压输出场景。虽然用了4个二极管(管压降损耗大:2*Vf),但变压器副边绕组利用率最高,适合输出电压较高的工业电源。
- (c) Center Tapped Rectifier(中心抽头整流) :低压大电流场景(如12V输出) 。只要2个二极管(管压降损耗小:1*Vf),效率高;但缺点是需要两个副边绕组,变压器绕制复杂,且二极管承受的反压是输出电压的2倍。
- (d) Current Doubler Rectifier(倍流整流) :超低压大电流场景(如CPU供电、3.3V/1.8V输出) 。这是2000年代初开始流行的“明星拓扑”。它结合了中心抽头和全桥的优点——既只有1个二极管压降(效率高),变压器副边又只需单绕组(结构简单),同时输出电感纹波相互抵消,非常适合几百安培的超大电流输出
在宽压输入和宽压输出的条件下,设计一个宽范围的pwm变换器是很难的,因为要考虑极限工况下,要兼顾效率,稳定性,磁性元件体积和器件应力,这几乎是不可能完美的。
一般工程上解决的方式就是换一个效率更高的拓扑,如将上图的非对称半桥改成全桥拓扑。
- 如果只考虑400V恒定输入: 所有的元器件都能达到最优匹配。变压器不大不小刚刚好,开关管常年工作在软开关(ZVS)状态,电容寿命极长。这时的PWM变换器是优雅且高效的(如那张图的绿色三角 94.5%)。
- 如果考虑300-400V: 工程师被迫用一个“庞大而笨重”的躯体(大磁芯、大电容、大散热器),去硬抗最恶劣的低压大电流工况;同时,在正常高压时又因为占空比过小而导致软开关失效、损耗激增。这时的PWM变换器就是臃肿且平庸的(如红色方块 92%)
SRC 确实解决了 PWM 占空比变宽的问题,它用调频(PFM)代替了调宽(PWM),变压器不用偏磁了。
但是SRC 走向了另一个极端: 它在宽压输入(尤其是高压 400V)时,不仅无法完美实现软开关(关断电流大),而且为了维持调节,内部疯狂倒腾能量(环流大),导致效率低下,轻载时更是失控。
并联谐振器虽然解决了串联谐振器的轻载低增益问题以及串联谐振变换器的只能降压不能升压。但是为了维持并联电容工作,并联谐振器内部需要巨大的无功环流来维持,因此其高压关断电流依旧很大,效率也很低下。
目前学习的三种串联谐振变换器的总结
使用电感做为负载进行并联,从而利用到原来LCC谐振变换器左半部分未利用到的曲线增益;
当开关频率小于f2的时候,串联的L1和C1呈现容性:当开关频率降低到 f2时,并联的励磁电感 Lm开始参与谐振。此时不再是 L1,C1二者谐振,而是 Lm、L1、C1三者共同谐振(手写公式:jωL1+1/(jωC1)+jωLm=0)。因为 Lm 和 L1是串联关系,其实相当于一个更大的电感(L1+Lm)在和 C1谐振。由于电感变大了,谐振频率自然就变低了(f2<f1)。
而当开关频率f 大于 f0的时候,当 fs=f1时,串联的 L1和 C1阻抗相互抵消(jωL1+1/(jωC1)=0)。此时,并联的 Lm被后级的变压器和负载“钳位”了,其两端电压恒定,没有交流电流流过(励磁电流处于恒定状态)。此时 Lm不参与谐振,整个电路等效为一个纯串联 LC。此时增益等于 1(变压器匝比),且效率最高。
LLC谐振变换器优点:
- 全负载范围实现零电压导通
- 副边整流管实现零电流关断,无反向恢复问题
- 低开关损耗
- 在额定工况下具有极低的循环能量
局部展开
效率更高了