LLC半桥谐振资料AN2450
LLC谐振电路工作原理及参数
实现方式
通过调整电路元件的参数 或添加阻抗变换器来实现 阻抗匹配。
影响
阻抗匹配可以提高信号传 输效率,减小信号损失和 反射,提高系统的稳定性。
04
LLC谐振电路设计
设计流程
确定目标输出电压和电流
根据应用需求,确定LLC谐振电路的 目标输出电压和电流。
选择合适的磁性元件
根据目标输出电压和电流,选择合适 的变压器和电感器。
当LLC转换器工作在容性工作状态时, 转换器的输入电压低于其输出电压。 此时,转换器的效率较低,输出功率 较小。
03
LLC谐振电路参数
品质因数Q
01
定义
品质因数Q是衡量电感或电容的 储能与耗能之间的比值,用于描 述电路的频率选择性。
02
03
计算公式
影响
$Q = frac{2pi f_0W}{P}$,其中 $f_0$是谐振频率,W是储能,P 是耗能。
根据谐振频率和电感器的值,计算电容器的容量。
确定电阻的阻值
根据输出电压和电流,确定电阻的阻值,以实现电流限制或电压调 节。
仿真与优化
使用仿真软件进行电路仿真
使用仿真软件对LLC谐振电路进行建模和仿真, 以验证设计的正确性和性能。
优化电路参数
根据仿真结果,优化电路参数,以提高效率、 减小体积或降低成本。
LLC谐振电路工作原理及 参数
• LLC谐振电路概述 • LLC谐振电路工作原理 • LLC谐振电路参数 • LLC谐振电路设计 • LLC谐振电路性能测试 • LLC谐振电路实际应用案例
01
LLC谐振电路概述
定义与特点
定义
LLC谐振电路是一种电子电路,由 电感、电容和电抗元件组成,通 过调整元件参数,使电路在特定 频率下产生谐振。
半桥LLC谐振转换器的配置与特性讲解
半桥LLC谐振转换器的配置与特性讲解
等离子和液晶电视如今已经走入了千家万户,这两种电器的开关电源设计比较特殊,只能采用有源或者无源PFC模式,并且需要能够长时间在无散热通风的环境下工作。
这就要求电源不仅要拥有高功率密度和平滑的电磁干扰信号,还要尽量少的使用元器件。
而在这些方面,半桥LLC谐振转换器拥有诸多的优势。
半桥LL谐振电容和谐振电感的配置
单谐振电容和分体谐振电容都存在于半桥转换器当中。
如图1所示。
对于单谐振电容配置而言,它的输入电流纹波和均方根(RMS)值较高,而且流经谐振电容的均方根电流较大。
这种方案需要耐高压(600~1,500V)的谐振电容。
不过,这种方案也存在尺寸小、布线简单等优点。
(a)单谐振电容;(b)分体谐振电容。
图1:半桥LLC转换器的两种不同配置
分体谐振电容相较于单个谐振电容而言,其输入电流纹波和均方根值较小。
谐振电容仅处理一半的均方根电流,且所用电容的电容量仅为单谐振电容的一半。
当利用钳位二极管(D3和D4)进行简单、廉价的过载保护时,这种方案中,谐振电容可以采用450V较低额定电压工作。
顾名思义,半桥LLC转换器中包含2个电感(励磁电感Lm和串联的谐振电感Ls)。
根据谐振电感位置的不同,谐振回路也包括两种不同的配置,一种为分立解决方案,另一种为集成解决方案。
这两种解决方案各有其优缺点,采用这两种方案的LLC的工作方式也有轻微差别。
将谐振电感安装在变压器外面是有目地的。
其能够帮助设计者提高设计的。
半桥llc谐振变换器工作原理_概述及解释说明
半桥llc谐振变换器工作原理概述及解释说明1. 引言1.1 概述本篇文章主要介绍了半桥LLC谐振变换器的工作原理,从基础概念出发,逐步深入解释其原理和设计考虑。
半桥LLC谐振变换器作为一种高效率、高稳定性的电源转换器,在工业、计算机以及新能源领域应用广泛。
通过该文章的阅读,读者可以全面了解半桥LLC谐振变换器的内部结构、工作原理以及应用案例分析,并对实现该变换器的关键要点有所掌握。
1.2 文章结构本文共分为五个主要部分:引言、半桥LLC谐振变换器工作原理、实现半桥LLC 谐振变换器的要点、实际应用案例分析以及结论与展望。
在引言中,将简要概括文章内容并说明目的,帮助读者对全文有一个初步的认识和预期。
接下来,我们将详细介绍半桥LLC谐振变换器的工作原理,包括概述、原理详解以及关键参数和设计考虑。
然后,我们将讨论实现该变换器所需注意的要点,包括控制策略选择与设计、调节回路设计与优化以及功率传输与效率提升技术。
随后,通过实际应用案例分析,我们将覆盖工业、计算机和新能源领域中半桥LLC谐振变换器的具体应用情况。
最后,在结论与展望部分,对文章进行总结,并展望未来该领域的研究方向。
1.3 目的本文的目的是介绍半桥LLC谐振变换器的工作原理及其相关要点和应用案例,为读者提供一个全面深入的了解。
通过本文,读者将能够掌握该变换器的基本概念、内部结构以及关键设计参数和考虑因素。
此外,通过实际应用案例分析,读者可以更好地了解半桥LLC谐振变换器在不同领域中的具体应用场景和效果。
最后,在结论与展望部分,我们会对该领域未来发展方向进行初步讨论。
希望通过这篇文章,读者可以加深对半桥LLC谐振变换器的理解,并在相关领域中有所应用和创新。
2. 半桥LLC谐振变换器工作原理2.1 谐振变换器概述谐振变换器是一种常用的电力电子转换器,其主要目的是将电能从一个形式转换为另一个形式。
在半桥LLC谐振变换器中,输入直流电压会被转换成高频交流电压,并通过输出侧得到所需的功率输出。
半桥llc谐振拓扑
半桥LLC谐振拓扑:电路设计与优化在电力电子领域,LLC谐振拓扑作为一种高效、可靠的电路结构,被广泛应用于各种电源供应系统。
半桥LLC谐振拓扑作为LLC谐振拓扑的一种变体,具有其独特的优点和优化空间。
本文将深入探讨半桥LLC谐振拓扑的基本原理、电路设计以及优化策略。
一、基本原理LLC谐振拓扑主要由两个电感(Lr和Lm)和一个电容(Cr)组成。
在半桥LLC 谐振拓扑中,电容Cr被分为两个相等容量的电容,分别与Lr和Lm形成两个独立的谐振回路。
这种结构使得电路能够在不同的频率下进行工作,提高了电源的效率和稳定性。
二、电路设计1.元件参数选择在半桥LLC谐振拓扑的电路设计中,需要合理选择Lr、Lm和Cr的参数。
这些参数的选择直接影响着电路的性能和稳定性。
在设计过程中,通常需要结合系统的具体需求,利用仿真软件进行参数优化。
2.功率开关管的选择功率开关管是半桥LLC谐振拓扑中的重要元件,其选择直接影响着电路的效率和可靠性。
在选择功率开关管时,需要考虑其耐压值、导通电阻、开关速度等参数,以确保电路的正常运行。
三、优化策略1.调整谐振频率谐振频率是半桥LLC谐振拓扑的重要参数,通过调整Lr、Lm和Cr的参数,可以实现对谐振频率的优化。
在调整过程中,需要综合考虑系统的效率、体积和成本等因素。
2.优化功率开关管的控制策略功率开关管的控制策略对半桥LLC谐振拓扑的性能有着重要影响。
通过优化控制策略,可以降低开关损耗、提高电源效率,同时还能减小电磁干扰。
常用的控制策略包括PWM控制和PFM控制等。
半桥LLC谐振变换器介绍
半桥LLC谐振变换器介绍半桥LLC谐振变换器由一个半桥拓扑架构和一个LLC谐振网络组成。
半桥拓扑意味着变换器的输入端上有两个开关,一个用于连接正极电源,另一个用于连接负极电源。
这种拓扑结构使得半桥LLC谐振变换器能够实现双向电能传输,即可以将电能从正极电源转移到负极电源,也可以将电能从负极电源转移到正极电源。
LLC谐振网络是变换器的核心部分,由一个电感、两个电容和一个开关组成。
谐振网络是为了减小开关器件的开关损耗而设计的,通过合理选择电感和电容的参数,使得串联谐振电路在工作过程中能够保持恒定的频率,从而降低了功率转换过程中的功率损耗。
半桥LLC谐振变换器具有许多优点,使其成为电力电子领域中常用的变换器之一、首先,它具有高效率。
由于谐振网络的存在,半桥LLC谐振变换器在工作过程中能够实现零电压开关,即在开关器件切换时,电流为零,从而减小了开关损耗。
其次,它具有高频率。
谐振网络的设计使得变换器能够在高频率下工作,从而减小了磁性元件的体积和重量。
此外,半桥LLC谐振变换器还具有高功率密度的特点,能够在小尺寸的空间内实现高功率的转换。
半桥LLC谐振变换器在实际应用中具有广泛的用途。
它可以应用于电力电子系统中的各种场景,如电动汽车充电器、太阳能逆变器和数据中心的电源供应等。
同时,由于其高效率、高频率和高功率密度的特点,半桥LLC谐振变换器也成为了新能源领域、工业自动化领域和通信领域中的研究热点。
总之,半桥LLC谐振变换器是一种高效率、高频率和高功率密度的电力电子变换器。
它由半桥拓扑架构和LLC谐振网络组成,能够实现双向电能传输。
在实际应用中,半桥LLC谐振变换器具有广泛的用途,被广泛应用于各种电力电子系统中。
LLC谐振半桥原理
LLC原理与设计2011-09-08硬件部•要了解LLC,就要先了解软开关。
对于普通的拓扑而言,在开关管开关时,MOSFET的D-S间的电压与电流产生交叠,因此产生开关损耗。
如图所示为了减小开关时的交叠,人们提出了零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)两种软开关的方法。
对于ZCS:使开关管的电流在开通时保持在零,在关断前使电流降到零。
对于ZVS:使开关管的电压在开通前降到零,在关断时保持为零。
•导通过程中,大部分电流从MOSFET中流过,流过Coss的非常小,甚至可以忽略不计,因此Coss的充电速度非常慢,电流VDS上升的速率也非常慢。
也可以这样理解:正是因为Coss的存在,在关断的过程中,由于电容电压不能突变,因此VDS的电压一直维持在较低的电压,可以认为是ZVS,即0电压关断,功率损耗很小。
同样的,在开通的过程中,由于Coss的存在,电容电压不能突变,因此VDS的电压一直维持在较高的电压,实际的功率损耗很大。
因为MOS在开关过程中,开通损耗占很大比例,相反IGBT关断时由于尾拖电流造成的损耗就要比开通过程的损耗大,所以IGBT如果满足ZCS,MOS满足ZVS,损耗就要小得多。
最早的软开关技术是采用有损缓冲电路来实现。
从能量的角度来看,它是将开关损耗转移到缓冲电路中消耗掉,从而改善开关管的工作条件。
这种方法对变换器的效率没有提高,甚至会使效率降低。
目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路,这种技术真正减小了开关损耗,而不是损耗的转移,这就是谐振技术。
谐振变换器主要由开关网络和谐振槽路组成,它使得流过开关管的电流变为正弦波而不是方波,然后设法使开关管在某一时刻导通,实现零电压或零电流开关。
之所以LLC谐振腔要呈感性,是因为需要电压超前电流,一旦呈感性,则谐振腔的电流在上管开通前的流通方向是负的,正是因为这个负电流,才能给上管放电、下管充电,使得上管MOS两端的电压为0,开通前为0了,那么开通时便实现了ZVS。
半桥LLC谐振变换工作原理及磁件设计方法
半桥LLC谐振变换工作原理及磁件设计方法半桥LLC谐振变换的基本结构包括两个电容和两个电感组成的谐振网络,以及两个开关管和一个变压器。
在工作过程中,当一个开关通断,谐
振电容中的电能开始储存,同时谐振电感中的电流开始增加。
当另一个开
关通断时,前一个开关管关断,其上的能量通过电容和电感进行谐振,输
出到负载。
半桥LLC谐振变换的关键在于谐振网络的设计。
首先,需要确定谐振
频率,通常选择高频工作以减小体积和重量。
然后,根据输入电压和输出
功率,选择合适的电容和电感值。
其中,电容的选择应注意其电压和电流
的承受能力,电感的选择应注意其自感、绕组电流和磁芯饱和等特性。
磁件设计是半桥LLC谐振变换中的重要部分,主要包括变压器和电感
的设计。
首先,需要根据输入输出电压比和功率需求确定变压器的变比。
然后,根据变比和电感值计算出所需的匝数。
接下来,在选择铁芯材料时,应注意其磁导率、饱和磁场和温度特性等。
最后,根据铁芯截面积和匝数
计算出变压器和电感的尺寸。
在半桥LLC谐振变换的设计中,还需要考虑到开关管的选择、控制电
路的设计和损耗功率的计算等因素,以保证系统的稳定性和效率。
总之,半桥LLC谐振变换利用谐振网络将输入直流电压转换为高频交
流电压,通过合理的磁件设计和谐振网络参数的选择,实现电能的高效转换。
这种变换器结构在实际应用中具有很高的灵活性和可靠性,为电力电
子领域提供了一种重要的解决方案。
半桥 llc 谐振变换器参数计算
半桥 LLC 谐振变换器参数计算1. 引言半桥 LLC 谐振变换器是一种常见的电源拓扑结构,其在电源应用中具有较为广泛的应用。
在设计半桥 LLC 谐振变换器时,合理计算各项参数对于其性能的提升具有重要意义。
本文将从半桥 LLC 谐振变换器的基本原理入手,介绍相关参数的计算方法,并结合实例进行说明。
2. 基本原理半桥 LLC 谐振变换器由半桥逆变器和LLC谐振拓扑结构组成。
其工作原理可分为两个阶段:谐振阶段和电流控制阶段。
在谐振阶段,电感和电容共同组成谐振回路,实现功率的传递和变换;在电流控制阶段,通过控制开关管实现输出电压的控制。
3. 参数计算在设计半桥LLC 谐振变换器时,需计算若干重要参数,其中包括电感、电容、开关管参数等。
3.1 电感参数电感参数的计算是半桥 LLC 谐振变换器设计中的重要一环。
电感值的选择需考虑到工作频率、电压和电流的要求。
一般而言,电感的计算公式为:L = V * (1-D) / (f * ΔI_L)其中,L为电感值,V为输入电压,D为占空比,f为工作频率,ΔI_L为电感电流波动。
3.2 电容参数另外,电容参数的计算亦为关键。
电容的选取需考虑到输出电压波纹、输出功率等因素,通常可以根据以下公式进行计算:C = I_out / (f * V_r)其中,C为电容值,I_out为输出电流,f为工作频率,V_r为输出电压波纹。
3.3 开关管参数开关管参数的选取也是至关重要的。
包括导通电流、耐压、开通损耗和关断损耗等指标都需要进行合理的计算和选取。
4. 实例分析为了更好的说明参数计算的方法,下面我们以某半桥 LLC 谐振变换器设计为例,进行参数计算和分析。
工作条件:输入电压:400V输出电压:48V输出电流:10A工作频率:100kHz电感和电容参数计算:根据上述工作条件,我们可以先计算出电感值和电容值的初步估算。
在具体设计过程中,还需综合考虑线性度、饱和电流等因素进行调整。
电感值计算:L = 400 * (1-0.5) / (100 * 5)L ≈ 4μH电容值计算:C = 10 / (100 * 4)C ≈ 25μF开关管参数选取:在实际设计中,需综合考虑导通电流、耐压、开通损耗和关断损耗等因素,选取合适的开关管。
llc半桥谐振电路原理
LLC半桥谐振电路是一种常见的高频开关电源拓扑结构,具有高效率、高稳定性、低噪声以及高可靠性等优点,被广泛应用于工业、通信等领域。
该电路包含两个谐振电容C 和两个谐振电感L,它们组成一个与输入电压串联的串联谐振电路。
另外,还包括两个功率开关器件Q1 和Q2,它们构成一个半桥电路。
当Q1 导通时,输出端到地的电路相当于一个LC 串联谐振电路。
此时,能量通过谐振电容C、谐振电感L1,最终存储在输出电容上。
当Q1 关断并且Q2 导通时,输出端的电路相当于一个带负载的并联谐振电路,此时谐振电感L2中的能量被输出电容释放出来,给负载供电。
因为LLC半桥谐振电路根据负载变化自动调节谐振频率,从而同时实现了高效率和低电磁干扰等优点。
但是,该电路由于设计较为复杂,在实际应用中需要注意输入电容、输出电容、谐振电感和开关器件的选型和设计,以确保结构稳定性和性能表现。
半桥LLC谐振
因此LLC谐振变换器的输入输出直流特性记为: M (, f n , Q)
M ( , f n , Q ) Vo Vin 1 /(2n) k 2 1 2 2 (1 k 2 ) Q ( f n ) fn fn
其增益特像曲线为:
从增益特性曲线上可以看出: ①当开关频率f在fr右边时,工作 在ZVS状态; ②当输入电压降低,可以降低开 关频率使其增益增大; ③当负载加重时,谐振频率会升 高。
I Q1
VCr
t0t1
t2
工作区域1——模态3
下半个周期与上半个周期类似。 (1)在t2时刻,Q1关断,Ir电流流经D2,在这个 过程中Q2开通,实现了ZVS开通,并且强制 Ir>Ilm; (2)Ilm电流开始减小,由电磁感应定律知,同名 端为“-”,副边DR2导通,原边Lm电压恒定 ,其电流线性减小,直至Q2关断。
2.2.2 k=Lr/Lm对直流增益特性的影响
不同k值下的直流增益曲线如下图,图中,横坐标为fn , 纵坐标为增益M。
在输入输出功率一定 的变换器下,匝比n固定 ,在某一个Q下,直流增 益曲线随k的变化情况: ① 当k增大时,其最大增 益值在减小,那么在低 输入电压下可能达不到 要求的输出电压;
2.2.2 k=Lr/Lm对直流增益特性的影响
I Q1
VCr
t0 t1
t2t3
工作区域2——模态3
Q1
Vin
+ -
Q1
D1
A
Cr
Lr
* * *
DR1
Q2
D2
Lm
np
ns ns
Cf
+ R Vout Io
Ir
I Lm
DR2
LLC半桥谐振电路工作情况解析
LLC半桥谐振电路工作情况解析该电路主要由一个谐振电感(Lr)和一个谐振电容(Cr)组成,并通过一个中间开关管件实现交流输出与直流输入的转换。
在工作过程中,当开关管件导通时,直流电源的电能被储存在谐振电容中,并使谐振电容和电感形成一个谐振回路。
当开关管件关闭时,谐振电容的电能被释放,并通过输出变压器将能量传递至负载。
LLC半桥谐振电路的主要优点是具有高效率和低电磁干扰特性。
由于谐振回路的优化设计,该电路可以实现零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS),从而减少开关管件的损耗和干扰。
此外,由于谐振电路的存在,电压和电流可以保持波形清晰,减少了输出层和输入层的损耗。
然而,LLC半桥谐振电路的设计和应用也存在一些挑战。
首先,对于谐振电感和谐振电容的选择需要经验和优化,以确保谐振频率与输入频率相匹配,从而实现理想的谐振特性。
其次,谐振回路的稳定性和动态响应需要仔细设计和控制,以避免谐振频率的偏离和谐振点失去锁定。
此外,谐振电路的设计还需要考虑开关管件的功率损耗、输出波形质量和电磁干扰等方面的问题。
为了解决上述挑战,研究人员对LLC半桥谐振电路进行了广泛的研究和改进。
他们通过优化谐振电感和谐振电容的设计,提高了谐振电路的效率和稳定性。
而在控制与调制方面,采用了先进的控制技术,如频率调制(FM)调制、相移调制等,来提高输出波形质量和谐振回路的动态响应。
总之,LLC半桥谐振电路是一种高效、低损耗的电路拓扑,在DC-AC转换应用中得到了广泛应用。
通过优化设计和控制,可以充分发挥谐振特性,提高电路的性能和稳定性。
未来,随着功率电子技术的进一步发展,LLC半桥谐振电路有望在各个领域得到更广泛的应用和推广。
半桥LLC谐振变换器介绍
半桥LLC谐振变换器介绍半桥LLC谐振变换器的核心组成部分包括半桥电路、谐振电容、谐振电感以及控制电路等。
其中,半桥电路由两个功率开关管和两个反并联二极管组成,用于控制电路的开关和导通状态。
谐振电容和谐振电感是半桥LLC谐振变换器的谐振元件,通过合理设计和选择,可以满足所需的谐振频率和电压变换要求。
控制电路主要负责控制功率开关管的开启与关闭,以及实现电压和频率的稳定输出。
半桥LLC谐振变换器的工作原理是通过谐振电路的谐振机制实现电能的转换。
在正半周期,当开关S1关闭时,谐振电容和谐振电感构成了一个谐振回路,电能开始存储在谐振电容中。
当开关S2关闭时,电能经过等效处理后,转换为交流电压输出。
在负半周期,开关S1和S2分别关闭和导通,将存储在谐振电容中的电能通过电感和负载传输到输出端,实现电流和电压的正常输出。
1.高效性能:谐振电路的谐振机制能够使能量在变换过程中更加充分利用,从而提高能量转换效率,减少能量损耗。
2.稳定性强:通过控制电路对功率开关管进行精确控制,可以实现电压和频率的稳定输出。
3.抗干扰能力强:谐振电路的谐振回路可以有效地抑制外部电磁干扰,提高系统的抗干扰能力。
4.体积小、重量轻:相对于传统的电力变换器,半桥LLC谐振变换器由于谐振元件的合理配置,使得整个变换器的体积更小、重量更轻,便于安装和维护。
5.多种保护功能:半桥LLC谐振变换器可以通过控制电路实现多种保护功能,如过流保护、过压保护、过热保护等,提高系统的安全性和稳定性。
在实际应用中,半桥LLC谐振变换器广泛应用于各种领域,例如工业自动化、交通运输、太阳能系统等。
它不仅能够满足高效能量转换的需求,还能够提供稳定可靠的电能输出,为电力电子设备的正常运行提供保障。
此外,半桥LLC谐振变换器还可以根据实际需求进行设计和改进,以适应不同的应用场景和电能转换要求。
总而言之,半桥LLC谐振变换器作为一种高效、稳定、可靠的电力电子变换器,在电力电子领域具有广泛的应用前景。
llc谐振半桥工作原理
llc谐振半桥工作原理
LLC谐振半桥是一种常用的电力控制拓扑结构,用于将高频
谐振电路与半桥功率输出级联,以实现高效的电力转换。
下面是LLC谐振半桥的工作原理:
1. 谐振电路:LLC谐振电路由电容器、电感器和谐振电容组成。
电容器存储电能,电感器储存磁能,并协同工作以形成谐振环路。
在工作周期的正半周期,电容器被充电,储存电能;在负半周期,电容器会放电,电能通过电感器传输到负载。
2. 调制和控制:在LLC谐振半桥中,使用PWM(脉宽调制)技术对半桥开关进行调制和控制。
PWM控制器会生成一系列
脉冲信号,控制半桥中的开关管的导通和截止。
通过改变脉冲的占空比,可以调整输出电压和电流的大小。
3. 谐振和转换:在工作周期的正半周期,半桥输入端的直流电源通过开关管驱动变压器,产生高频交流输出信号。
这个过程产生的高频交流信号与谐振电路的谐振频率匹配,从而实现谐振和转换。
4. 输出:通过变压器将高频交流信号转换为所需的电压和电流,并输出给负载。
通过PWM调制控制,可以实现对输出电压和
电流的精确控制和调节。
总结:LLC谐振半桥工作原理是利用谐振电路和半桥拓扑结
构相互协作,实现高效的电力转换。
谐振电路存储电能和磁能,
而半桥拓扑结构完成功率输出。
通过PWM调制控制,可以精确控制输出电压和电流的大小。
半桥llc谐振电路的作用
半桥llc谐振电路的作用1.半桥LLC谐振电路的简介半桥LLC谐振电路作为一种高效并且广泛使用的谐振电路,主要用于DC-DC变换器、超声波发生器等电子电路中。
它由一个串联的电容、电感和电容组成,可以在高频情况下实现高效能的能量传递。
2.半桥LLC谐振电路的工作原理半桥LLC谐振电路在工作时,会在开关管和输出端形成一个谐振回路。
在给定的输入电压下,当自然的振荡频率等于输出负载的电感和电容相结合的共振频率时,谐振回路就会开始蓄能。
如果开关管关闭时,能量就会从谐振回路传递到输出负载上。
当负载变化时,谐振回路必须重新调整以适应负载变化。
状态开关提供了一个简单有效的方式来达到这个目标。
当负载变化时,根据设计原理,状态开关可以保持电路的频率与负载共振。
这种设计方案大大提高了整个半桥LLC谐振电路的效率,因为它允许电路尽可能接近理论上最大的效率。
3.半桥LLC谐振电路的优点与其他谐振电路相比,半桥LLC谐振电路具有一些卓越的优点:1)高效率:在开关管处于导通或截止状态时,都能够改善能量利用率。
2)低损耗:在输出负载的切换过程中,允许电流的方向和大小调整,从而降低电路的损耗。
3)简单实用:由于有了状态开关,半桥LLC谐振电路的主要元件仅仅是电容、电感和开关管。
这大大降低了电路的成本和复杂度。
4.半桥LLC谐振电路的应用半桥LLC谐振电路广泛应用于各种DC-DC变换器、超声波发生器和电力电子等电路中。
其具体应用包括:1)DC-DC变换器:可以应用在轻载、全负载和过负载条件下的高效能转换。
通常用于电源和电机驱动器。
2)超声波发生器:使用半桥LLC谐振电路可以伸缩谐振回路的频率。
3)电力电子:半桥LLC谐振电路在电力电子中有广泛的应用,包括输出滤波器、功率放大器和PWM控制器等。
5.总结半桥LLC谐振电路通过状态开关的运用,实现电路谐振回路的自动调整,并实现高效低损耗的能量传输。
广泛应用在各种DC-DC变换器、超声波发生器和电力电子等电路中。
LLC谐振半桥的主电路设计指导
低电磁干扰
LLC谐振半桥采用软开关技术, 有效减少开关噪声, 降低电磁 干扰。
选择LLC谐振半桥的优势
高效率
LLC谐振半桥的工作原理使它能够 在较宽的负载范围内保持高效率 ,尤其是在轻载条件下。
高功率密度
由于谐振特性,LLC谐振半桥的开 关损耗较低,这使得它能够实现 更高的功率密度。
良好的电磁兼容性
3 响应时间
过流保护电路的响应时间应足 够快,以确保在电流超过安全 限值之前及时切断电源。
4 恢复机制
过流保护电路应具备恢复机制 ,在故障排除后可以恢复正常 工作。
温度保护电路设计
Байду номын сангаас
温度传感器选型
温度传感器应具有良好的精度, 能够在较宽的温度范围内准确地 检测到温度变化。
阈值设置
设定合适的温度阈值,避免过高 的保护温度导致系统误触发,同 时又要保证系统在过热时能及时 保护。
电压反馈
电压反馈电路监测输出电压,调整PWM占 空比以维持设定电压。
电流反馈
电流反馈电路监测输出电流,限制电流过 载,保护系统安全。
混合反馈
结合电压和电流反馈,实现更精确的控制 ,提高系统稳定性。
软启动电路设计
缓启动
防止启动电流过大,保护开关管和电源。
电流控制
逐渐增加输出电压和电流,避免冲击。
稳定性
保护措施
当温度超过阈值时,保护电路应及时切断电源或采取其他措施,防止设备 过热损坏。
电路拓扑综合考虑
LLC 谐振半桥电路拓扑设计需要综合考虑多个因素,包括输入电压范围、输出 功率、工作频率、效率、成本等。选择合适的拓扑结构可以有效提高电路的性 能。
例如,对于高功率应用,可以采用并联谐振拓扑,以降低开关管的电流应力, 提高效率。对于低成本应用,可以选择串联谐振拓扑,结构简单,成本低廉。 还需要考虑电路的稳定性,避免出现谐振频率偏移或振荡。
半桥LLC谐振变换器介绍
半桥LLC 谐振变换器目录概述硬开关与软开关分析对比LLC 工作原理工作模态分析效率分析计算设计总结概述全球对降低能耗的需求正在促进节能技术的推广。
在70W-600W 交流输入电源中,目前可能会做到更好功率,当然前提交流输入电源中目前可能会做到更好功率当然前提是很好的解决输出电压纹波噪声的基础上,由于LLC 谐振转换器(效率通常在90%以上)的效率高于标准电源拓扑,所以其运用越来越广泛。
本这为了设计出更高效率电源的目的,我们在以下报告内容探讨LLC谐振转换器相比硬开关转换器的功能优势,开关工作原理,谐振工作模态,效率计算分析等,做一个简要的介绍。
硬开关与软开关分析对比¾Hard switchHigher switching losses limit switching frequency.¾Low power density-¾Lower efficiency¾-Higher flux density level of transformer, bigger core size.¾Poor EMI ( high dv/dt and di/dt )¾Poor cross regulation¾Higher output ripple noiseHi h h l i i¾Higher thermal agitation ¾Higher voltage stress on MOSFET and rectifier diode硬开关与软开关分析对比Soft switch (LLC converter)9High efficiency9Primary MOS Zero-Voltage Switching9Secondary Rectifier Diode Zero -Current Switching & low Vf. 9High power density9Lower flux density level of transformer, smaller core size. 9Good EMI ( low dv/dt and di/dt)G d EMI(l d/dt d di/dt9Better cross regulation9Lower output ripple noise9Low thermal agitation9Cost effective9Low voltage stress on MOSFET and rectifier diode Simple Topology9LLC谐振变换器模块图谐振电感和漏感(包括初级侧漏感&次级侧漏感反射到初级并联Lm后的总和)L50%duty谐振电容和网络中的寄生电容之和LLC谐振转换器的简化AC等效电路LLC 变换器的直流特性分析基波分析法等效负载阻抗Rac推导考虑到变压器负载阻抗和变压器变比的平方成正比200228P V n R ac ∗∗=π9存在两个谐振频率Fr1&Fr2。
LLC谐振半桥电路分析与设计
LLC谐振半桥电路分析与设计LLC谐振半桥电路分析与设计一、简介在传统的开关电源中,通常采用磁性元件实现滤波,能量储存和传输。
开关器件的工作频率越高,磁性元件的尺寸就可以越小,电源装置的小型化、轻量化和低成本化就越容易实现。
但是,开关频率提高会相应的提升开关器件的开关损耗,因此软开关技术应运而生。
要实现理想的软开关,最好的情况是使开关在电压和电流同时为零时关断和开通(ZVS,ZCS),这样损耗才会真正为零。
要实现这个目标,必须采用谐振技术。
二、L LC串联谐振电路根据电路原理,电感电容串联或并联可以构成谐振电路,使得在电源为直流电源时,电路中得电流按照正弦规律变化。
由于电流或电压按正弦规律变化,存在过零点,如果此时开关器件开通或关断,产生的损耗就为零。
下边就分析目前所使用的LLC谐振半桥电路。
基本电路如下图所示:的基波分量。
相应地,谐振腔输出电压(即理想变压器输出)也为方波公式3 其基波分量为公式4其中为输出电压相对输入电压的相移,实际上为零。
2.3 FHA 电路模型将图2.1所示电路的非线性电路做等效变换,可以得到下图:图2.2 FHA 谐振电路双端口模型FHA(First harmonic approximation):一次谐波近似原理。
该原理是假设能量的传输只与谐振回路中电压和电流傅立叶表达式中的基波分量有关,因此,如果忽略开关频率的影响,则谐振腔被正弦输入电流Irt激励,其表达式为:公式5 其中为输入电流相对输入电压的相移。
相应地,谐振腔输出电流i rect为公式6 由于Vo.FHA(t)与i rect(t)同相位,所以谐振电路的输出阻抗为公式7 其中Rout为负载阻抗,该阻抗折算到变压器原边的反射阻抗Rac为公式8所以,谐振腔的输入阻抗Zin(s)为公式9 变压器增益传递函数H(S)为公式10 电压增益M(fsw)为公式112.4 电压增益M(fn,λ,Q)分析对电压增益M(fsw)表达式中的变量进行替换,得到关于fn,λ,Q三个参量的函数,新的表达式为公式12 式中参数定义如下:谐振频率(Lr与Cr谐振)公式13特征阻抗公式14品质因数公式15Lr与Lm电感值比公式16归一化频率公式17作出λ=0.2时M(fn,λ,Q)曲线簇如下图:(横轴为fn,纵轴为M)图2.3 LLC电压增益曲线其中红色曲线为空载时(Q=0)的电压增益曲线M OL,随着fn趋向于无穷,M OL逐渐趋向于M∞。
LLC谐振半桥工作原理
L L C谐振半桥工作原理(总2页)--本页仅作为文档封面,使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--LLC谐振半桥工作原理引言随着开关电源的发展,软开关技术得到了广泛的发展和应用,已研究出了不少高效率的电路拓扑,主要为谐振型的软开关拓扑和 PWM 型的软开关拓扑。
近几年来,随着半导体器件制造技术的发展,开关管的导通电阻,寄生电容和反向恢复时间越来越小了,这为谐振变换器的发展提供了又一次机遇。
对于谐振变换器来说,如果设计得当,能实现软开关变换,从而使得开关电源具有较高的效率。
LLC 谐振变换器实际上来源于不对称半桥电路,后者用调宽型(PWM)控制,而 LLC 谐振是调频型(PFM)。
一、LLC 谐振变换器原理图1 LLC 谐振原理图图2 LLC 谐振波形图图1和图2分别给出了 LLC 谐振变换器的电路图和工作波形。
图1中包括两个功率MOSFET(S1 和S2),其占空比都为;谐振电容 Cs,副边匝数相等的中心抽头变压器 Tr,Tr 的漏感Ls,激磁电感 Lm,Lm 在某个时间段也是一个谐振电感,因此,在 LLC谐振变换器中的谐振元件主要由以上3个谐振元件构成,即谐振电容 Cs,电感 Ls 和激磁电感 Lm;半桥全波整流二极管 D1 和 D2,输出电容 Cf。
LLC 变换器的稳态工作原理如下:1)(t1,t2)当t=t1 时,S2 关断,谐振电流给S1的寄生电容放电,一直到S1上的电压为零,然后S1 的体内二级管导通。
此阶段D1导通,Lm上的电压被输出电压钳位,因此,只有Ls和Cs参与谐振。
2)(t2,t3)当t=t2 时,S1在零电压的条件下导通,变压器原边承受正向电压;D1继续导通,S2及D2 截止。
此时 Cs和Ls参与谐振,而Lm不参与谐振。
3)(t3,t4)当t=t3 时,S1仍然导通,而 D1与D2 处于关断状态,Tr 副边与电路脱开,此时Lm,Ls和 Cs 一起参与谐振。
LLC谐振半桥原理
LLC谐振半桥原理LLC半桥谐振变换器是一种高效的交流直流(AC-DC)电源拓扑结构,广泛应用于电力电子和工业控制领域。
它利用谐振原理实现了高效能的能量转换。
以下是对LLC谐振半桥原理进行详细解释的文章。
一、LLC谐振半桥的结构和工作原理LLC谐振半桥的工作原理是基于谐振原理。
当半桥开关MOSFET关闭时,输入直流电源充电谐振电感L和谐振电容C。
当半桥开关MOSFET打开时,谐振电感L和谐振电容C形成一个谐振电路,将储存的能量传输到输出负载上。
在谐振过程中,谐振电容C的电压和谐振电感L的电流之间会发生180度的位相差,这使得能量传输更加有效。
为了保持LLC谐振半桥的谐振状态,谐振频率必须与输入直流电压的频率一致。
通过谐振电感L和谐振电容C的合理设计,可以使得谐振频率与输入电压的频率高度匹配,并且能够在宽输入电压范围内保持谐振状态。
二、LLC谐振半桥的优点1.高效能:LLC谐振半桥利用谐振原理实现能量的传输,能够减少功率损耗,提高能量转换效率。
此外,LLC谐振半桥还采用零电压开关技术,能够减少开关损耗,进一步提高功率转换效率。
2.高输入功率因数和低输入谐波:由于LLC谐振半桥的谐振特性,它能够在宽范围内实现高功率因数和低谐波输出。
这对于工业控制系统和电力电子设备非常重要,可以减少输入功率的失真,提高设备的稳定性。
3.宽输入电压范围:LLC谐振半桥可以适应广泛的输入电压范围。
由于谐振电感L和谐振电容C的合理设计,可以在宽范围内实现稳定的谐振。
这使得LLC谐振半桥适用于不同的电力电子设备和控制系统。
4.低干扰:由于LLC谐振半桥采用了零电压开关技术,减少了开关的干扰噪声,进一步降低了系统的干扰水平。
这对于要求高抗干扰性能的电力电子设备和工业控制系统非常重要。
三、总结LLC谐振半桥是一种高效能的交流直流电源拓扑结构,利用谐振原理实现了高效能的能量转换。
它具有高功率因数、低谐波输出、宽输入电压范围和低干扰等优点。
llc谐振半桥软开关
llc谐振半桥软开关LLC谐振半桥软开关是一种应用广泛的功率电子器件,常用于交流电-直流电转换、电力传输和能量转换等领域。
本文将介绍LLC谐振半桥软开关的工作原理、特点以及应用。
一、工作原理LLC谐振半桥软开关由LLC谐振电路和半桥电路组成。
LLC谐振电路由电容C、电感L和电阻R构成,半桥电路由两个开关管S1、S2和两个二极管D1、D2构成。
在工作时,LLC谐振电路和半桥电路相互配合,实现对输入交流电的转换。
当输入交流电通过LLC谐振电路时,电容C和电感L会形成谐振回路,使得电流呈谐振波形。
此时,开关管S1、S2会根据控制信号的变化进行开关操作,实现对电流的调节。
具体而言,当S1导通,S2关断时,电流从输入端流向输出端;当S1关断,S2导通时,电流从输出端流向输入端。
通过不断切换开关管的导通状态,可以实现对电流的正负半周的控制。
二、特点1. 高效性:LLC谐振半桥软开关利用谐振电路,使得电流呈谐振波形,减少了开关管的开关损耗,提高了系统的整体效率。
2. 高稳定性:谐振电路可以调整电流的频率和振幅,使得系统对输入电压和负载的波动具有较好的适应性,提高了系统的稳定性。
3. 高精度:LLC谐振半桥软开关可以实现对电流的精确控制,满足不同应用场景的需求。
4. 低噪声:由于谐振电路的存在,LLC谐振半桥软开关在工作时产生的噪声较小,不会对周围环境和其他设备造成干扰。
三、应用1. 电力传输:LLC谐振半桥软开关广泛应用于电力传输系统中,可以实现对交流电的高效转换和传输,提高能源利用率。
2. 电动汽车充电桩:LLC谐振半桥软开关可以实现对交流电到直流电的转换,适用于电动汽车充电桩中,提供高效快速的充电服务。
3. 太阳能逆变器:LLC谐振半桥软开关可以实现对太阳能电池板输出的直流电到交流电的转换,适用于太阳能逆变器系统中,将太阳能转化为可用的电能。
4. 工业电源:LLC谐振半桥软开关可以实现对工业电源的稳定输出,适用于工业设备的供电需求。
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AN2450Application note LLC resonant half-bridge converter design guidelineIntroductionThe growing popularity of the LLC resonant converter in its half-bridge implementation (seeFigure1)is due to its high efficiency, low level of EMI emissions, and its ability to achievehigh power density. Such features perfectly fit the power supply demand of many modernapplications such as LCD and PDP TV or 80+ initiative compliant ATX silver box. One of themajor difficulties that engineers are facing with this topology is the lack of informationconcerning the way the converter operates and, therefore, the way to design it in order tooptimize its features.The purpose of this application note is to provide a detailed quantitative analysis of thesteady-state operation of the topology that can be easily translated into a design procedure.Exact analysis of LLC resonant converters (see [1.] ) leads to a complex model that cannotbe easily used to derive a handy design procedure. R. Steigerwald (see [2]) has described asimplified method, applicable to any resonant topology, based on the assumption that input-to-output power transfer is essentially due to the fundamental Fourier series components ofcurrents and voltages.This is what is commonly known as the "first harmonic approximation" (FHA) technique,which enables the analysis of resonant converters by means of classical complex ac-circuitanalysis. This is the approach that has been used in this paper.The same methodology has been used by Duerbaum (see [3] ) who has highlighted thepeculiarities of this topology stemming from its multi-resonant nature. Although it providesan analysis useful to set up a design procedure, the quantitative aspect is not fully completesince some practical design constraints, especially those related to soft-switching, are notaddressed. In (see [4] ) a design procedure that optimizes transformer's size is given but,again, many other significant aspects of the design are not considered.The application note starts with a brief summary of the first harmonic approximationapproach, giving its limitations and highlighting the aspects it cannot predict. Then, the LLCresonant converter is characterized as a two-port element, considering the inputimpedance, and the forward transfer characteristic. The analysis of the input impedance isuseful to determine a necessary condition for Power MOSFETs' ZVS to occur and allowsthe designer to predict how conversion efficiency behaves when the load changes from themaximum to the minimum value. The forward transfer characteristic (see Figure3) is ofgreat importance to determine the input-to-output voltage conversion ratio and providesconsiderable insight into the converter's operation over the entire range of input voltage andoutput load. In particular, it provides a simple graphical means to find the condition for theconverter to regulate the output voltage down to zero load, which is one of the main benefitsof the topology as compared to the traditional series resonant converter.October 2007Rev 5 1/32Contents AN2450Contents1FHA circuit model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2Voltage gain and input impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3ZVS constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4Operation under overload and short-circuit condition . . . . . . . . . . . . 17 5Magnetic integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 6Design procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 7Design example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238Electrical test results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268.1Efficiency measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268.2Resonant stage operating waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 9Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 10Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312/32AN2450List of figures List of figuresFigure 1.LLC resonant half-bridge converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Figure 2.FHA resonant circuit two port model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Figure 3.Conversion ratio of LLC resonant half-bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Figure 4.Shrinking effect of l value increase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Figure 5.Normalized input impedance magnitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Figure 6.Capacitive and inductive regions in M - fn plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Figure 7.Circuit behavior at ZVS transition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Figure 8.Voltage gain characteristics of the LLC resonant tank. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Figure 9.Transformer's physical model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Figure 10.Transformer's APR (all-primary-referred) model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Figure 11.Transformer construction: E-cores and slotted bobbin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Figure 12.LLC resonant half-bridge converter electrical schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Figure 13.Circuit efficiency versus output power at various input voltages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Figure 14.Resonant circuit primary side waveforms at nominal dc input voltage and full load. . . . . . 28 Figure 15.Resonant circuit primary side waveforms at nominal dc input voltage and light load. . . . . 28 Figure 16.Resonant circuit primary side waveforms at nominal dc input voltage and no-load. . . . . . 29 Figure 17.Resonant circuit primary side waveforms at nominal dc input voltage and light load. . . . . 29 Figure 18.+200 V output diode voltage and current waveforms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Figure 19.+75 V output diode voltage and current waveforms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303/32FHA circuit model AN2450 1 F H A circuit modelR out Half-bridge Driver V dc C rL r L m n:1C out Q 1Q 2D 1D 2V out I rtAN2450FHA circuit model5/32whose fundamental component v i.FHA (t) (in phase with the original square waveform) is:Equation 2where fsw is the switching frequency. The rms value V i.FHA of the input voltage fundamentalcomponent is:Equation 3As a consequence of the above mentioned assumptions, the resonant tank current i rt (t) willbe also sinusoidal, with a certain rms value I rt and a phase shift Φ with respect to thefundamental component of the input voltage:Equation 4This current lags or leads the voltage, depending on whether inductive reactance orcapacitive reactance dominates in the behavior of the resonant tank in the frequency regionof interest. Irrespective of that, i rt (t) can be obtained as the sum of two contributes, the firstin phase with the voltage, the second with 90° phase-shift with respect to it.The dc input current I i.dc from the dc source can also be found as the average value, along acomplete switching period, of the sinusoidal tank current flowing during the high sideMOSFET conduction time, when the dc input voltage is applied to the resonant tank:Equation 5where T sw is the time period at switching frequency.The real power P in , drawn from the dc input source (equal to the output power P out in thisideal case) can now be calculated as both the product of the input dc voltage V dc times theaverage input current I i.dc and the product of the rms values of the voltage and current's firstharmonic, times cos Φ :Equation 6the two expressions are obviously equivalent.The expression of the apparent power P app and the reactive power P r are respectively:Equation 7Let us consider now the output rectifiers and filter part. In the real circuit, the rectifiers aredriven by a quasi-sinusoidal current and the voltage reverses when this current becomeszero; therefore the voltage at the input of the rectifier block is an alternate square wave inphase with the rectifier current of amplitude V out .v iFHA t ()2π--V dc 2πf sw t ()sin =.v iFHA 2π------V dc =.i rt t ()2I rt 2πf sw t Φ–()sin 2I rt Φcos 2πf sw t ()2I rt –sin •Φ2πf sw t ()cos •sin ==I idc 1T sw ---------i rt t ()t d 2π------I rtΦcos =0T sw 2--------∫=.P in V dc I idc V iFHA I rt Φcos ==..P app V iFHA I rt =..P r V iFHA I rt Φsin =FHA circuit model AN24506/32The expressions of the square wave output voltage v o.sq(t) is:Equation 8which has a fundamental component v o.FHA(t):Equation 9whose rms amplitude is:Equation 10where Ψ is the phase shift with respect to the input voltage. The fundamental component of the rectifier current irect(t) will be:Equation 11where I rect is its rms value.Also in this case we can relate the average output current to the load I out and also derive the ac current I c.ac flowing into the filtering output capacitor:Equation 12Equation 13where P out is the output power associated to the output load resistance R out.Since v o.FHA(t) and i rect(t) are in phase, the rectifier block presents an effective resistive load to the resonant tank circuit, R o.ac, equal to the ratio of the instantaneous voltage and current:Equation 14Thus, in the end, we have transformed the non linear circuit of Figure1 into the linear circuit of Figure2, where the ac resonant tank is excited by an effective sinusoidal input source and drives an effective resistive load. This transformation allows the use of complex ac-analysis methods to study the circuit and, furthermore, to pass from ac to dc parameters (voltages and currents), since the relationships between them are well-defined and fixed (see equations Equation 3, Equation 5, Equation 6, Equation 10 and Equation 12 above).V osq t()4π--V out1n--n2πfswtΨ–()sinn13 5.,,=∑=...V oFHT t()4π--V out2(πf sw tΨ)–sin=.V oFHA22π----------V out=.i rect t()2I rect2(πf sw tΨ)–sin=I out2T sw---------irectt()t d22π----------I rectP outV out----------==T sw2--------∫V out Rout-----------==I cac I rect2I out2–=.R oacv oFHA t()i rect t()----------------------V oFHAI rect----------------8π2-----V2outP out-------------8π2-----Rout====...7/32In other words, the voltage conversion ratio is equal to one half the module of resonanttank's forward transfer function evaluated at the switching frequency.C r L r L m networkdc output n :1 ac resonant tankV dcI out R out R o.ac filter V i.FHA I rect I rt V outdc inputV o.FHA I i.dcZ in (j Ȧ)out V dc----------12n ------M f sw ()=8/32 2 Voltage gain and input impedanceStarting from Equation 18 we can obtain the expression of the voltage gain:Equation 20with the following parameter definitions:resonance frequency: characteristic impedance: quality factor: inductance ratio: normalized frequency: Under no-load conditions, (i.e. Q = 0) the voltage gain assumes the following form:Equation 21Figure 3 shows a family of plots of the voltage gain versus normalized frequency. Fordifferent values of Q, with λ = 0.2, it is clearly visible that the LLC resonant converterpresents a load-independent operating point at the resonance frequency f r (f n = 1), withunity gain, where all the curves are tangent (and the tangent line has a slope -2λ).Fortunately, this load-independent point occurs in the inductive region of the voltage gaincharacteristic, where the resonant tank current lags the input voltage square waveform(which is a necessary condition for ZVS behavior).The regulation of the converter output voltage is achieved by changing the switchingfrequency of the square waveform at the input of the resonant tank: since the working regionis in the inductive part of the voltage gain characteristic, the frequency control circuit thatkeeps the output voltage regulated acts by increasing the frequency in response to adecrease of the output power demand or to an increase of the input dc voltage. Consideringthis, the output voltage can be regulated against wide loads variations with a relativelynarrow switching frequency change, if the converter is operated close to the load-independent point. Looking at the curves in Figure 3, it is obvious that the wider the input dcM f n λQ ,,()11λλf n2------–+⎝⎠⎜⎟⎛⎞2Q 2f n 1f n ---–⎝⎠⎛⎞2+----------------------------------------------------------------------------=f r 12πL r C r----------------------=Z o L r C r -----2πf r L r 12πf r C r ----------------===Q Z o R ac ---------Z o n 2R oac------------------π28-----Z 0n 2-----P out V 2out -------------===.λL r L m------=f n f swf r -------=M OL f n λ,()11λλf n2------–+-----------------------------=9/32voltage range is, the wider the operating frequency range will be, in which case it is difficultto optimize the circuit. This is one of the main drawbacks common to all resonant topologies.This is not the case, however, when there is a PFC pre-regulator in front of the LLCconverter, even with a universal input mains voltage (85 V ac - 264 V ac ). In this case, in fact,the input voltage of the resonant converter is a regulated high voltage bus of ~400 V dcnominal, with narrow variations in normal operation, while the minimum and maximumoperating voltages will depend, respectively, on the PFC pre-regulator hold-up capabilityduring mains dips and on the threshold level of its over voltage protection circuit (about 10-15% over the nominal value). Therefore, the resonant converter can be optimized to operateat the load-independent point when the input voltage is at nominal value, leaving to the step-up capability of the resonant tank (i.e. operation below resonance) the handling of theminimum input voltage during mains dips.Figure 3.Conversion ratio of LLC resonant half-bridgeThe red curve in Figure 3 represents the no-load voltage gain curve M OL ; for normalizedfrequency going to infinity, it tends to an asymptotic value M ∞:Equation 22Moreover, a second resonance frequency f o can be found, which refers to the no-loadcondition or when the secondary side diodes are not conducting (i.e. the condition wherethe total primary inductance L r + L m resonates with the capacitor C r ); f o is defined as:Equation 23or in normalized form:Equation 24M ∞M OL f n ∞λ,→()11λ+------------==f o 12πL r L m +()C r-----------------------------------------f r λ1λ+------------==f no f o f r ---λ1λ+------------==10/32 At this frequency the no-load gain curve M OL tends to infinity. By imposing that the minimum required gain M min (at max. input dc voltage) is greater than the asymptotic value M ∞, it is possible to ensure that the converter can work down to no-load at a finite operating frequency (which will be the maximum operating frequency of the converter):Equation 25The maximum required gain M max (at min. input dc voltage) at max. output load (max. P out ), that is at max. Q, will define the min. operating frequency of the converter:Equation 26Given the input voltage range (V dc.min - V dc.max ), three types of operations are possible:●always below resonance frequency (step-up operations)●always above resonance frequency (step-down operations)●across the resonance frequency (shown in Figure 3).Looking at Figure 4, we can see that an increase of the inductance ratio value λ has the effect of shrinking the gain curves in the M - f n plane toward the resonance frequency f nr (which means the no-load resonance frequency f no increases) and contemporaneously reduces the asymptotic level M ∞ of the no-load gain characteristic. At the same time the peak gain of each curve increases.M min 2n V out V dcmax ------------------11λ+------------>=.M max 2n V out V dcmin -----------------=.11/32Figure 4.Shrinking effect of λ value increase Starting from Equation 16 we can obtain the expression of the normalized input impedanceZ n of the resonant tank:Equation 27whose magnitude is plotted in Figure 5, at different Q values, with λ = 0.2.The red and blue curves in the above mentioned figure represent the no-load and shortcircuit cases respectively, and are characterized by asymptotes at the two normalizedresonance frequencies f no and f nr (= 1). All the curves at different values of Q intercept atnormalized frequency f n.cross :Equation 28At frequencies higher than the crossing frequency f n.cross , the input impedance behavessuch that at increasing output current Iout (that is at increasing P out and Q) it decreases(coherently to the load resistance); the opposite happens at frequencies lower than f n.cross ,where the input impedance increases, while the output load resistance decreases.Z n f n λQ ,,()Z in f n λQ ,,()Z o ----------------------------------jf n λjf n Q+--------------------1f n 2–jf n ----------------+==f ncross 2λ12λ+----------------=.12/32Figure 5.Normalized input impedance magnitude The ac analysis can also help to estimate converter's efficiency η and predict how thischanges with the load. Considering the generic model similar to the one in Figure 2, wherethe resonant tank includes also the dissipative elements (i.e. series resistors for magneticcomponents winding losses and capacitor's ESR, and parallel resistors for magnetic lossesof inductors and transformer), we can compute the transfer function H LOSS (j ω) and the inputimpedance Z in.LOSS (j ω). By calculating input and output power in terms of H LOSS andZ in.LOSS , we get:Equation 29where Y in.LOSS is the admittance (reciprocal of Z in.LOSS ) and the input and output power areexpressed as:Equation 30Equation 31The region on the left-hand side of the diagram in Figure 5, i.e. for a normalized frequencylower than f no , is the capacitive region, where the tank current leads the half-bridge squarevoltage; at normalized frequency higher than the resonance frequency f nr (= 1), on the right-hand side region, the input impedance is inductive, and the resonant tank current lags theinput voltage. In the region between the two resonance frequencies the impedance can beeither capacitive or inductive, depending on the value of the impedance phase angle.By imposing that the imaginary part of Z n (f n , λ, Q) is zero (which means imposing that Z inhas zero phase angle, as Z o is real and does not affect the phase), we can find theηP out P in ----------H LOSS j ω()2R oac Re Y inLOSS j ω()[]---------------------------------------------------------==..P in V iFHA I rt Φcos V iFHA 2Re 1Z inLOSS j ω()-------------------------------==....P out V oFHA I rect V oFHA 2R oac -------------------V iFHA 2R oac -----------------H LOSS j ω()===.....13/32boundary condition between capacitive and inductive mode operation of the LLC resonantconverter.The analytical results are the following:Equation 32Equation 33where f nZ represents the normalized frequency where, for a fixed couple (λ- Q), the inputresonant tank impedance is real (and only real power is absorbed from the source); whileQ Z is the maximum value of the quality factor, below which, at a fixed normalized frequencyand inductance ratio (f n - λ) the tank impedance is inductive; hence, the maximum voltagegain available in that condition is also found:Equation 34By plotting the locus of operating points [M MAX (λ, Q), f nZ (λ,Q)], whose equation on M - f nplane is the following:Equation 35we can draw the borderline between capacitive and inductive mode in the region betweenthe two resonance frequencies, shown in Figure 6 It is also evident that the peak value ofthe gain characteristics for a given quality factor Q value, already lies in the capacitiveregion.Figure 6.Capacitive and inductive regions in M - f n planef nZ λQ ,()Q 2λ1λ+()–Q 2λ1λ+()–[]24Q 2λ2++2Q 2----------------------------------------------------------------------------------------------------------------=Q Z f n λ,()λ1f n2–----------------λf n ---⎝⎠⎛⎞2–=M MAX λQ ,()M f nZ λQ ),λQ ,,(()=M Z f n λ,()f n f n 21λ+()λ–--------------------------------------=ZVS constraints AN245014/32Moreover, by equating the second term of (Equation 35) to the maximum required gainM max (at minimum input voltage), and solving for f n , we get the minimum operatingfrequency f n.min which allows the required maximum voltage gain at the boundary betweencapacitive and inductive mode:Equation 36Furthermore, by substituting the minimum frequency (Equation 36) into the Equation 33, weget the maximum quality factor Q max which allows the required maximum voltage gain at theboundary between capacitive and inductive mode:Equation 37Finally, by equating the second term of the no-load transfer function (Equation 21) to theminimum required voltage gain M min , it is possible to find the expression of the maximumnormalized frequency f n.max :Equation 383 ZVS constraintsThe assumption that the working region lies inside the inductive region of operation is only anecessary condition for the ZVS of the half bridge MOSFETs, but not sufficient; this isbecause the parasitic capacitance of the half bridge midpoint, neglected in the FHAanalysis, needs energy to be charged and depleted during transitions. In order tounderstand ZVS behavior, refer to the half bridge circuit in Figure 7, where the capacitorsC oss and C stray are, respectively, the effective drain-source capacitance of the PowerMOSFETs and the total stray capacitance present across the resonant tank impedance, sothat the total capacitance C zvs at node N is:Equation 39which, during transitions, swings by ∆V = V dc . To allow ZVS, the MOSFET driving circuit issuch that a dead time T D is inserted between the end of the ON-time of either MOSFET andthe beginning of the ON-time of the other one, so that both are not conducting during T D .f nmin 111λ--11M max2-----------------⎠⎟⎞–⎝⎜⎛+----------------------------------------------=.Q max λM max --------------1λ--M max 2M max 21–--------------------------+=f nmax 111λ--11M min ------------–⎝⎠⎛⎞+-----------------------------------------=.C zvs 2C OSS C stray+=AN2450ZVS constraints15/32Due to the phase lag of the input current with respect to the input voltage, at the end of thefirst half cycle the inductor current I rt is still flowing into the circuit and, therefore it candeplete C ZVS so that its voltage swings from ∆V to zero (it will be vice versa during thesecond half cycle).In order to guarantee ZVS, the tank current at the end of the first half cycle (considering thedead time negligible as compared to the switching period, so that the current change isnegligible as well) must exceed the minimum value necessary to deplete C ZVS within thedead time interval T D , which means:Equation 40This current equals, of course, the peak value of the reactive current flowing through theresonant tank (it is 90° out-of-phase); the one that determines the reactive power level intothe circuit:Equation 41T DV g1I zvs i rt T sw 2---------⎝⎠⎛⎞C zvs V ∆T D -------2C OSS C stray +()V dc T D--------===I zvs 2I rt Φsin =ZVS constraints AN245016/32Moreover, as the rms component of the tank current associated to the active power is: Equation 42we can derive also the rms value of the resonant tank current and the phase lag Φ between input voltage and current (that is the input impedance phase angle at that operating point): Equation 43Equation 44Thus we can write the following analytic expression:Equation 45which is the sufficient condition for ZVS of the half-bridge Power MOSFETs, to be applied to the whole operating range. The solution of Equation 45 for the quality factor Q zvs that ensures ZVS behavior at full load and minimum input voltage is not convenient. Therefore, we can calculate the Q max value (at max. output power and min. input voltage), where the input impedance has zero phase, and take some margin (5% - 10%) by choosing: Equation 46and check that the condition (Equation 45) is satisfied at the end of the process, once the resonant tank has been completely defined. The process will be iterated if necessary.Of course the sufficient condition for ZVS needs to be satisfied also at no-load and maximum input voltage; in this operating condition it is still possible to find an additional constraint on the maximum quality factor at full load to guarantee ZVS. In fact the input impedance at no-load Z in.OL has the following expression:Equation 47Taking into account that:Equation 48and writing the sufficient condition for ZVS in this operating condition, that is:Equation 49I act I rtΦcosP inV iFHA---------------==.I rt I rt2Φ)2(I rt2Φ)2(sin+cosP inV iFHA---------------⎝⎠⎛⎞2I zvs22-----------+==.ΦaP inV iFHA I rt--------------------⎝⎠⎛⎞cos=.Φ()tanIm Z n f nλQ,,()[]Re Z n f nλQ,,()[]----------------------------------------------C zvsπT D-----------V dc2P in-----------≥=Q max•95÷Q zvs190=%%.Z inOL f n()jZ o f n11λ--+⎝⎠⎛⎞1f n---–=.Z o R ac Q=V iFHAmaxZ inOL f nmax()--------------------------------------I zvs Vdcmax()2-------------------------------≥..AN2450Operation under overload and short-circuit condition17/32we get the constraint on the quality factor for the ZVS at no-load and maximum inputvoltage:Equation 50Therefore, in order to guarantee ZVS over the whole operating range of the resonantconverter, we have to choose a maximum quality factor value lower than the smaller ofQ zvs.1 and Q zvs.2.4 Operation under overload and short-circuit conditionAn important aspect to analyze is the converter's behavior during output over-load and/orshort-circuit.Referring to the voltage gain characteristics in Figure 8, let us suppose that the resonanttank has been designed to operate in the inductive region for a maximum output powerP out.max (corresponding to the curve Q = Q max ) at a given output-to-input voltage ratio(corresponding to the horizontal line M = M x ) greater than 1,When the output power is increased from zero to the maximum value, the gain characteristicrelative to each power level changes progressively from the red curve (Q = 0) to the blackone (Q max ). The control loop keeps the value of M equal to M x , then the quiescent pointmoves along the horizontal line M = M x and the operating frequency at each load conditionis given by the abscissa of the crossover between the horizontal line M = M x and the voltagegain characteristic relevant to the associated value of Q.Figure 8.Voltage gain characteristics of the LLC resonant tankQ zvs22π--λf nmax λ1+()f nmax2λ–--------------------------------------------T D R ac C zvs ---------------------≤...。