再谈LLC的过流保护

前言:之前讨论在VM DFC LLC中监测谐振电流瞬时值来进行正负方向的峰值电流逐周期限流保护,可见:《数字直接频率控制(DFC) LLC的优化与思考》。在这里我提到在VM DFC LLC上使用正负两个方向的峰值电流限制,可以实现完美的过流保护,其波形可见:

但是实际情况,由于实际板上的谐振参数和最低谐振频率的设置问题,并不一定能进入到正好卡到正负两个限制点的电流上,以对称占空比,三角波电流的方式运行, 更多的可能是:AHB模式。波形来源于东儿科技的LLC测试。

这种情况下,上下半桥两个PWM不对称,会使谐振电容的中心电压偏离VIN/2位置。从这个情况来看,由于谐振电容的中心电压偏低,因此从源流入到变压器的电流会很快的速度上升到正向峰值电流限制点,顶到正向峰值电流限制后强制关闭HG,经死区时间之后开启LG。

此时由于在OCP状态,输出电压无法达到次级闭环控制器设定的输出电压值,因此光耦电压会上升到最大值,因此也通常对应到谐振频率的最低值(这里说的VM DFC LLC)。所以可见上图所示,LG会开到FMIN的开通时间,达到周期后会自动关闭,因为谐振电容电压偏低,因此即使开到FMIN的周期,也不能顶到负向CBC设定值,所以LG的关闭是由开关频率来设定。 

但是在这种情况下工作,谐振电容的中心电压始终低于VIN/2,而且向次级传输的功率也低于正常对称工作的情况,此时的工作波形更接近于AHB不对称谐振半桥。如果负载不变,正向峰值电流限制点也不变,那么将长期运行在这个AHB波形上,谐振电容的电压中点也持续低于VIN/2,系统将在这里达到一个新的稳态。如果没有OCP次数的计数或者光耦持续正向饱和的检测,将无法退出这个状态,回归到正常的LLC工作模式。

可能在动态切换和过流保护时恶化LLC的工作性能。  并且在参数设置不合理的情况下(峰值大,FMIN更低),谐振电容的电压可能非常大的偏离VIN/2中心值,这样会使HG的导通时间极短,而且流过极大的峰值电流,虽然CBC保护达到了峰值电流保护的目的。

但是HG的开关损耗极大,发热量也很大,持续在CBC状态,存在开关损耗导致的热损坏,笔者曾经在DSP里面用CBC保护测试到这种失效模式和波形。可见下图所示,此时是顶到负向峰值关闭,谐振电容中心远高于VIN/2位置,HG开到很长,但是LG很短,流过电流极大,峰值电流点关闭。

那么既然VM DFC LLC使用CBC的峰值电流保护存在可能跑到谐振AHB的波形,而且使谐振电容偏压,严重情况下即使CBC也会产生很大的开关损耗,导致热失效。

那么该如何解决这个问题呢?

笔者的思考是:

1、检测到CBC后,考虑到存在AHB模式和开关损耗,这个情况不能持续太长时间,比如监测到CBC后开启计数器,监测到多少次CBC,或者多长时间后停机。

2、靠光耦正向饱和来做保护,这种情况下光耦持续正向饱和,监测到后可以进入保护状态。

3、从谐振电容电压考虑,既然CBC后进入AHB类似的原因是谐振电容中点电压偏离,那么就应该在CBC保护的时候也考虑到谐振电容的电压判断。

比如设定一个谐振电容电压正向和负向电压最大值,顶到谐振电容的限制电压后也会强制关闭开关,这样即使谐振电压电压偏离中心值,也会在谐振电容电压的限制控制下,自动的回归到VIN/2的位置,达到LLC对称工作的CBC过流保护模式。当然,既然都考虑到谐振电容电压了,那就是电流模式控制方法了。

(从CBC后进入AHB,然后谐振电容电压偏移,被谐振电容电压正负限制钳位,逐步回到对称工作)

(回归到正常对称工作,OCP由谐振电容电压峰值限制)综上,考虑到最完善的LLC OCP控制方法,不仅需要考虑谐振电流的正负峰值电流限制,也还要考虑到谐振电压的偏离情况,也需要加入谐振电容的正负向的峰值电压限制。本人能力有限,如有错误,恳请帮忙指正,感谢观看,感谢支持。

SCH:

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