詳解LLC電路的PWM工作狀態(tài)

當(dāng)LLC電路在輸出低壓時(shí)，需要提高工作頻率，在現(xiàn)在的技術(shù)下，功率管的開關(guān)最高頻率是受到限制的，我們一般無法讓輸出電壓全范圍都工作在PFM態(tài)，特別是在數(shù)字電路控制中，由于DSP工作頻率和資源的限制，電路的最高工作頻率將會進(jìn)一步受到限制。所以LLC電路由于自身的工作特性，都要結(jié)合PFM和PWM兩種工作模式，實(shí)現(xiàn)低壓輕載下的輸出調(diào)節(jié)。而LLC的PWM工作狀態(tài)將會遇到兩個(gè)重要的問題：LLC電路PWM工作狀態(tài)的非單調(diào)性和PWM態(tài)的電流諧振問題。

圖1 仿真電路圖

1）下圖2為例，圖中Q1，Q2占空比D1，D2分別是

，

，但是t2～t4時(shí)間段內(nèi)，Q2的二極管反向續(xù)流，在這段時(shí)間內(nèi)任何點(diǎn)導(dǎo)通Q2，諧振電流的波形不會有變化，也就是說，Q2在t2～t4內(nèi)任意時(shí)刻給出驅(qū)動信號，傳遞到副邊的能量均相同，得到的輸出電壓也相同。同樣t5～t7內(nèi)Q1任何時(shí)間導(dǎo)通Q1也不會影響諧振電流。換句話說，調(diào)節(jié)占空比，從50%-

～ 50％變化，輸出電壓不會變化。這就是LLC電路PWM態(tài)的不單調(diào)問題。其仿真波形如圖3所示，功率管的

，

，二極管反向恢復(fù)時(shí)間增大，從Q1關(guān)斷到Q2電流反向的時(shí)間隨之增大，即t1～t2變長，不可控的非單調(diào)區(qū)域增大。

圖2 PWM 態(tài)D工作在非單調(diào)區(qū)間諧振示意圖

2）如圖3所示，LLC電路工作在PWM狀態(tài)（D=0.3），時(shí)刻Q2關(guān)斷，諧振電流通過Q1的反向二極管續(xù)流，由于諧振電流較小，t2時(shí)刻諧振電流降到零。諧振電流到零后，諧振電感Lr，勵磁電感Lm，諧振電容Cr，以及上下管的漏源極間電容

，

，組成串連諧振，在輸入電壓的激勵下，諧振電流過零后反向增加。如果Q1管在電流為正的時(shí)刻開通，就失去了ZVS開通，圖3中t3時(shí)刻的電流尖峰就是Q2開通時(shí)反向二極管的反向恢復(fù)和漏源極間電容放電引起的。這樣不但開關(guān)損耗會變大，而且引入了諧波干擾，由于電路寄生電感的存在，這個(gè)很高的

會在電流通路上產(chǎn)生電壓尖峰。

圖3 低壓輕載PWM諧振波形 , 工作狀態(tài)：Fs=360K， RL=7.2歐， D=0.3

電路在PWM態(tài)下，由于諧振電流的存在，主功率管，諧振電感的溫升上升的很高，EMC設(shè)計(jì)也遇到困難。所以，我們考慮在低壓輕載下功率管進(jìn)入PWM態(tài)后，功率管采用互補(bǔ)的不對稱發(fā)波方式，如圖4所示，上管Q120的控制波形Vg1占空比減少，而以其互補(bǔ)的Vg2控制下管Q121，兩者之間有個(gè)死區(qū)時(shí)間。

不對稱發(fā)波的方案分析如下。不對稱發(fā)波方式采用上下橋臂互補(bǔ)的發(fā)波方式，當(dāng)上橋臂關(guān)斷后，下橋臂經(jīng)過死區(qū)時(shí)間立刻導(dǎo)通，一直到一個(gè)開關(guān)周期完成。

圖4 HA411Z的不對稱發(fā)波方式

圖5為工作在不對稱發(fā)波方式下的電路仿真波形：

1） 在t0時(shí)刻之前， VPFC通過Q120加在L107、C131和T101上，因?yàn)閒s>fr，而且不對稱半橋的Vcr比對稱半橋的Vcr要低，因此L107上的電壓：VLr＝Vin－nVo－Vcr比對稱半橋高，所以t0時(shí)刻Q120關(guān)斷時(shí)ILr->ILm。

2）t0-t1時(shí)刻，當(dāng)Q120關(guān)斷后，諧振電流對Q120的漏源極電容Cds1充電，Q121的漏源極電容Cds2放電，Vds2下降到0，同時(shí)由于ILr->ILm，L107對T101供電，ILm繼續(xù)上升，而ILr下降，輸出二極管D120上管繼續(xù)導(dǎo)通，直到t2時(shí)刻，ILr-=ILm，L107無法繼續(xù)為T101提供能量，輸出二極管關(guān)斷。如果在Q121反向二極管電流下降到零之前導(dǎo)通Q121，即在t0-t2時(shí)刻內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)Q121的ZVS開通，同時(shí)為諧振電流反向后電流提供通路，消除了Cds1，Cds2與L107諧振。

3）t2-t3時(shí)刻，Q121導(dǎo)通，諧振電流小于勵磁電流，輸出二極管的電流換相，諧振電容C131通過Q121對T101和L107通電，諧振電流反向繼續(xù)上升，由于Vcr較低，很快諧振電流到達(dá)最大值，然后開始下降，直到t3時(shí)刻，Q121關(guān)斷。

4）t3-t4時(shí)刻，勵磁電感Lm被輸出鉗壓，L107和Lm串聯(lián)諧振，諧振電流開始上升，不過此時(shí)T101原副邊沒有傳能。輸出二極管D2有無電流由Vcr和ILr-決定，在上下臂導(dǎo)通占空比偏差大時(shí)，Vcr較小，D2不會導(dǎo)通，在上下臂導(dǎo)通偏置小時(shí)，D2可能導(dǎo)通。

5） 同樣在t4時(shí)刻，Q120開通，如果在Q120的控制信號到來之前（即t5），諧振電流沒有下降到0， Q120可在反向續(xù)流期間實(shí)現(xiàn)ZVS開通。

從上面的分析我們可以知道，在不對稱PWM發(fā)波方式下，上下管都可以實(shí)現(xiàn)ZVS開通，這樣就解決了對稱PWM態(tài)下諧振的問題。

（ILr：諧振電流，ILm：勵磁電流，Vp：變壓器T101原邊電壓，Ip：變壓器T101原邊電流，ID1輸出二極管D120的上管電流，ID2：輸出二極管D120的下管電流）

圖5 不對稱發(fā)波工作波形