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fm<fs<fr的工作特性分析(断续模式,DCM):
fm<fs<fr是LLC谐振变换器最理想的工作状态,也是实际应用中设计的模态,变换器的原边开关管能实现ZVS,副边开关管实现ZCS,也就是软开关模式,能提高变换器的效率,主要工作波形如下图:
该工作模式下有6个模态:
模态1[t0~t1]:在t0时刻,Q1导通。变换器位于感性工作区,电流相位滞后电压相位,ir为负向逐渐减小趋势流过Q1续流,在该阶段内ir<im,变压器原边电流值为im-ir,变压器副边有能量输出,D1导通,变换器输出电压为Uo,变压器原边电压被钳位为nUo,Lm两端也被钳位,此模态为Lr和Cr二元谐振,变换器谐振频率为fr,负载能量由Lm提供。值得注意的是,在本模态之前的Q1导通ZVS之前的情形:ir通过Doss1续流,那么Q1在导通时谐振电流流过Q1实现的零电压导通。
模态2[t1~t2]:在t1时刻ir由负减小到过零点,续流完成,然后ir换向为正向流过Q1,变压器原边电流ip=im+ir,D1依然保持开通状态,Lm两端电压被钳位为nUo,此模态下为Lr和Cr二元谐振,变换器谐振频率为fr,负载能量由输入源提供。
模态3[t2~t3]:该阶段ir正向继续上升,在t2时刻im过零点然后开始换向为正向,变压器原边ip=ir-im;Lm继续被充电,im继续线性增加;在t3时刻im=ir,在这时没有电流流入变压器原边,也即是进入了断续模式,ip=im-ir=0,副边输出电流也变为0,流过副边整流二极管的电流也较小值零,所以实现了副边整流二极管的ZCS。
模态4[t3~t4]:这个阶段比较特殊,也是fm<fs<fr工作模态下的典型特征,在该阶段ir持续与im相等,变压器原边没有电流流入,不参与能量的传输,相当于变换器与输出端隔离了,副边二极管D1和D2全部截至。Lm脱离被钳位的状态,开始参与到了谐振状态,由Cr、Lr和Lm进行三元谐振,谐振频率为fm,负载能量由输出端的滤波电容Co提供。
模态5[t4~t5]:在t4时刻Q1关断,开始进入死区时间,im给Coss1充电,给Coss2放电,在t5时刻完成开关器件的充放电过程。与上个阶段一样,im=ir,没有谐振电流在变换器内传输,由Cr、Lr和Lm进行三元谐振,谐振频率为fm,负载能量由输出端的滤波电容Co提供。
模态6[t5~t6]:在t5时刻后ir经过Doss2续流,副边整流二极管D2导通,Lm被前位于-nUo,Lm不再参与谐振,此模态下变为Lr和Cr二元谐振,变换器谐振频率增大为fr,负载能量由Lm提供。
fs=fr的工作特性分析(临界模式,BCM):
在fs=fr的工作模态与上述的fm<fs<fr工作模态基本类似,不过少了一个阶段4[t3~t4]。LLC谐振变换器断续和临界工作模式就是在这里进行区分的,在临界工作模式副边的二极管由断续导通变为了临界导通模态。临界模式下的谐振变换器主要工作波形如下图:
总结:LLC变换器的三种工作模式fs>fr、fm<fs<fr和fs=fr的各个模态分析原边均能够通过开关管的体二极管进行反向续流,从而达到开关管的ZVS目的;不过fm<fs<fr工作模式下,在实现原边开关管的ZVS的同时,副边整流二极管可以实现ZCS,实现软开关;而fs>fr的连续工作模式下,不能实现副边整流二极管的ZCS,所以不推荐LLC工作在该模态下。