半橋電路上下橋臂的死區時間定為190nS,這個時間和LLC電路功率管的ZVS工作狀態,功率管驅動的可靠性密切相關,同時也影響諧振電流大小和模塊整機效率 。對于LLC電路,我們將額定工作點設置在諧振點附近,通過實現功率管的ZVS開通和輸出二極管的零反向恢復來實現模塊的高效率。為了滿足ZVS條件,死區時間必須滿足:
其中:
輸入母線電壓,
:功率管漏源極間電容,
為勵磁電流。
而輸出電壓和變壓器匝比確定時,勵磁電流的大小由諧振頻率和勵磁電感決定:
Tr為諧振周期,因此我們可以得出LLC對稱半橋上下管死區時間和勵磁電感,諧振頻率的關系:
LLC的參數設計過程中,如果增大勵磁電感Lm,可以減少功率管的關斷電流,從而減少其關斷損耗,如果不考慮橋臂的死區時間,我們認為模塊流過諧振電感和變壓器原邊的諧振都是減少的。但是如果考慮死區時間對功率管和輸出二極管有效導通時間的影響,當死區時間td增大時,有效的占空比會減少,在輸出負載相同的情況下,流過輸出二極管的電流和諧振電感和變壓器傳能部分的電流
將增大,所以勵磁電流和傳能電流
是矛盾的,其有效值近似為:
圖9 死區影響和勵磁電流,諧振電流示意圖
當LLC電路的諧振參數確定時,勵磁電流就確定了,在滿足公式1的情況下,考慮上下管的驅動特性偏差和驅動電路的延時偏差,保證功率管可靠性的前提下,我們應該盡可能減少死區時間。對于具體參數的模塊:
其中
取20N60C3漏源電壓VDS為50~200VDC時的近似值(150nF)和旁邊并聯電容220nF的和。從計算的結果看現在的死區時間190nS裕量很大,可以適當的減少,當190nS的死區時間時,54V/1000W,通過計算可得到諧振電流為:
而當死區時間改為120nS時, 諧振電流為6.528A
以80℃結溫計算,兩個功率管的損耗相差:
變壓器的原副邊電流,以及流過輸出二極管的電流沒找到合適的公式計算,但是通過仿真可以得到兩個死區時間190nS和120nS時,變壓器原邊電流分別為5.6728A和5.6486A,變壓器副邊電流分別為:20.8A和20.7A,損耗相差很少,另外死區時間減少對功率管反向恢復電流也會有改善。
所以從計算結果看,死區時間由190nS減少到120nS對效率的改善比較小,約減少1W損耗,實際效果由測試結果進行驗證。
當死區時間為190nS,測試模塊的輸出電壓48~58V,負載在大于150W時,模塊都工作ZVS狀態,42V時要大于200W以上才可能實現ZVS如下圖所示(在調頻狀態,上下管的ZVS狀態近似)
圖10 54V/100W上管導通
圖11 54V/150W上管導通
如果死區改成120nS,測試到的上管開通波形如下圖所示,功率要大于200W才能完全實現ZVS開通
圖12 54V/100W上管導通
圖13 54V/200W上管導通
從測試的結果看,死區時間從190nS減少到120nS,模塊實現ZVS會有影響,輕載200W以下功率管的關斷電壓會高,功率管漏源極的電壓拖尾,無法完全關斷,在驅動上可以測試到一個電壓平臺。
我們對死區改動前后模塊效率進行對比,測試到的結果如下表。
表2 死區190nS效率測試結果
輸入功率(W) | 輸出電壓(V) | 輸出電流(A) | 輸出功率(W) | 效率(%) |
1098.7 | 53.379 | 19.0428 | 1016.486 | 0.925171 |
983 | 53.397 | 17.0792 | 911.978 | 0.92775 |
871.2 | 53.417 | 15.1356 | 808.4983 | 0.928028 |
762.8 | 53.44 | 13.2428 | 707.6952 | 0.92776 |
650 | 53.461 | 11.2892 | 603.5319 | 0.928511 |
543.7 | 53.481 | 9.4072 | 503.1065 | 0.925338 |
437.9 | 53.501 | 7.5356 | 403.1621 | 0.920672 |
329.1 | 53.521 | 5.5704 | 298.1334 | 0.905905 |
225.4 | 53.543 | 3.7168 | 199.0086 | 0.882913 |
119 | 53.56 | 1.8076 | 96.81506 | 0.813572 |
11.2 | 53.579 | 0 | 0 | 0 |
表3 死區120nS效率測試結果
輸入功率(W) | 輸出電壓(V) | 輸出電流(A) | 輸出功率(W) | 效率(%) |
1087 | 53.371 | 18.87 | 1007.111 | 0.926505 |
985 | 53.387 | 17.1404 | 915.0745 | 0.92901 |
871.8 | 53.412 | 15.1848 | 811.0505 | 0.930317 |
762.2 | 53.428 | 13.2768 | 709.3529 | 0.930665 |
649.9 | 53.448 | 11.3088 | 604.4327 | 0.93004 |
543.5 | 53.47 | 9.4244 | 503.9227 | 0.927181 |
433.7 | 53.49 | 7.4704 | 399.5917 | 0.921355 |
328.5 | 53.512 | 5.5824 | 298.7254 | 0.909362 |
224.6 | 53.532 | 3.7132 | 198.775 | 0.885018 |
123.16 | 53.551 | 1.8884 | 101.1257 | 0.821092 |
10.99 | 53.566 | 0 | 0 | 0 |
圖14 死區優化效率對比
從測試的結果看,死區減少到120nS,模塊的效率約提高了0.1%~0.15%,這和計算的結果是吻合的。
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