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半橋LLC電路中模塊損耗的影響

CHANBAEK ? 來源:頭條號艾伊電源 ? 作者:頭條號艾伊電源 ? 2023-03-23 09:35 ? 次閱讀

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:

pYYBAGQbrNuAPOLRAAAZUM7uc8E412.jpg

其中:

pYYBAGQbrN2AT7UwAAAJTfw2WLo873.jpg

輸入母線電壓,

pYYBAGQbrN2AGjDyAAAGGfRfv8o720.jpg

:功率管漏源極間電容

poYBAGQbrN6AY9NuAAAFDic3pY0435.jpg

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:

pYYBAGQbrN-AFMG5AAAU7AVxA6w930.jpg

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:

pYYBAGQbrOCASVlmAAAWRS7GlQU154.jpg

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

poYBAGQbrOCAZfFvAAAIjA3-L5o087.jpg

將增大,所以勵磁電流和傳能電流

poYBAGQbrOCAZfFvAAAIjA3-L5o087.jpg

是矛盾的,其有效值近似為:

pYYBAGQbrOGAQvTNAAAZ69HPhuk883.jpg

poYBAGQbrOKAcdPXAACHkKccvJ8535.jpg

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:

poYBAGQbrOSAArK2AAAaLd7N4bU466.jpg

其中

pYYBAGQbrN2AGjDyAAAGGfRfv8o720.jpg

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:

poYBAGQbrOWAbzQjAAA32vMHTDk236.jpg

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:

pYYBAGQbrOaAM6t4AAAO3uf2kOE250.jpg

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)

poYBAGQbrOeAfpOhAAEBCETcALs425.jpg

圖10 54V/100W上管導通

poYBAGQbrOiAIH5HAADzY5Ycqbo117.jpg

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

poYBAGQbrOmAX-JTAAENQ1ezgqs634.jpg

圖12 54V/100W上管導通

pYYBAGQbrOqAMhlFAAD-ozXSSh0419.jpg

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

pYYBAGQbrOuAKuwCAAFNCVjywks989.jpg

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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