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【我是工程师第四季】双失谐LLC电路(内含LLC图解设计法)
阅读: 2075 |  回复: 21 楼层直达

2017/12/14 12:39:59
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boy59[版主]
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师长

QQ截图20160321155901 宝箱升级喽!开启探秘地宫之旅! QQ截图20160321155901  【有奖DIY】工程师本色上演 设计征集活动

  在信号处理中使用的双失谐鉴频器与LLC电路有许多相似之处,比如都有两个谐振频率、两个谐振协同工作、增益与频率成单调关系,那么是否可以借鉴双失谐鉴频器的原理来设计一款双失谐LLC电路。
LLC图解设计法.rar 此法是参考CMG版的资料公式,通过先预设一个目标范围再利用图解法经参数调节使增益曲线进入目标范围内,以达到快速、便捷、直观的求解方程组的目的。
标签 LLC
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2017/12/14 13:10:59
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Davidok
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LV2
班长
沙发
2017/12/14 15:49:46
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boy59[版主]
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LV8
师长
LLC电路去掉变压器后可做如下等效:                                 1 LLC及其等效电路 LLC电路的谐振腔中包含了励磁电感Lm,漏感Lr,谐振电容C加起来就是LLC,如果把励磁电感Lm设计的无穷大则电路等效为RLC串联谐振电路,谐振频率由漏感和谐振电容决定,见下图                                       2 -1等效串行谐振电路及增益曲线 如果把漏感Lr短路则等效为一种串并联电路,如下                                          2-2 串并联电路及其增益曲线 LLC电路就是上述两个电路的合成,合成后的增益曲线如下                                               3 LLC电路增益曲线对比 LLC电路的缺陷,双失谐LLC可能会有的优势接下来尝试着分析一下。
2017/12/29 09:56:38
14
qiyonglin
海洋之神首页币:30 | 积分:3 主题帖:10 | 回复帖:68
LV6
团长
神作
2017/12/15 09:50:47
4
boy59[版主]
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LV8
师长
从鉴频器的角度分析了一下LLC电路的设计,发现采用图解法来设计LLC电路非常的便捷。
2017/12/15 10:08:49
5
boy59[版主]
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LV8
师长
  图形法的思路是先根据输入电压的变化范围绘制出最高和最低增益GmaxGmin,再绘制出最小及最大开关频率fminfmax,这样LLC电路的工作区域就确定了。接着把增益曲线加上,只需要两条曲线一条是空载一条是满载,如果这两条增益曲线满足要求那么其它的也一定满足要求,详见下图。
                                                  4-1  图形法设计LLC电路
2017/12/15 10:24:54
6
boy59[版主]
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LV8
师长
上面的图4-1是一种临界状态设计的恰到好处,如果设计余量比较大则如下图                                                            4-2设计余量较大 4-2的曲线说明电感参数偏小而电容参数偏大,会导致谐振腔中的电流偏大影响效率,这个后面准备做过仿真看看。
2017/12/15 10:40:27
7
boy59[版主]
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LV8
师长
设计不足的曲线如下                                                  4-3 设计不足 4-3这种情况在高压和低压段附近LLC电路都达不到设计要求。
2017/12/15 10:49:15
8
boy59[版主]
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LV8
师长
参数的调节方法是: 减小谐振电容曲线右移,减小K值(Lm/Lr)曲线斜率增大,保持K值不变同比例减小电感LrLm曲线上移。 用这种方法设计LLC参数非常的便捷,并且对于电路中的整个工作状况都能一清二楚、做到心中有数。
2017/12/17 12:17:25
9
boy59[版主]
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LV8
师长
Mathcad文件已上传,如有错误烦请指正,如需改进自行解决。
2017/12/19 18:24:42
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boy59[版主]
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LV8
师长
                                     5-1 LLC输入、输出电流关系   上图是fs<fr情况下,对漏感和励磁电感电流做减法运算得到的电流差面积与输出二极管的电流面积一致,这说明LLC电路的励磁电流没有传递到次级,在fs=frfs>fr的情况下结果也相同,那么当fs<frLLC电路升压功能是如何实现的?
2017/12/19 19:13:05
11
boy59[版主]
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LV8
师长
在下面的图中在半个周期内有部分时间输出几乎无电流,将这部分时间称作Toff剩下的时间为Ton                                  5-2-1 1/2周期内划分TonToff 上图的电流波形放到电路中分析如下:                                   5-3-1 升压电路原理 Ton时间内漏感电流一部分传递到负载一部分流过励磁电感,此时的励磁电感作为负载存在处于蓄能状态。当LC的谐振电流小于励磁电感电流后,励磁电感极性翻转将作为海洋之神首页同Vin共同对谐振电容充电(类似Boost升压电路)此时为Toff升压段。当开关切换后Vin反向,电路进入下一个循环周期,由于谐振电容电压的升高导致负载电压也跟着升高。
2017/12/19 19:48:08
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boy59[版主]
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LV8
师长
如果想用于宽输入的场合就需要比较强的升压能力,一种方法是降低开关频率,另一种是减小励磁电感感量。励磁电感就如同稳压二极管一样,用不用都有电流流过有固定的损耗,如果励磁电感选的小(K值小)固定损耗会加大,所以LLC电路用于宽输入场合效率不会很理想。 LLC电路的另一个问题就是增益曲线的非线性会导致电路难控制,设想双失谐LLC的目的就是想改善增益曲线的线形度。所谓线性,一次方程y=a*x+b就是一个线性方程容易解也容易控制,y=a*x^2+b*x+c是一个抛物线不容易解对于电路来说也难控制。 在海洋之神首页控制中有种解决方案是把二次方程变成线性的一次方程,是用另一个函数来代换其中的平方项使之变成一次方程。一般这个另一个函数就是电流环,通过原来的电压环控制电流环实现双环控制。变换前的二次方程称之电压控制模式,变换后的双环称之电流控制模式,一般电流模式都优于电压模式。 对于LLC电路也可以采用同样的思路把多次方程降为低次或者线性方程,从而设计成一款电流模式LLC。以前曾做过电流模式LLC的仿真效果还不错,这次准备用方程将其表述出来并为其找到出理论依据。
2017/12/20 09:51:46
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chaos2008
海洋之神首页币:2 | 积分:1 主题帖:11 | 回复帖:51
LV4
连长
关注关注,版主请持续更新
2018/01/04 18:47:19
15
boy59[版主]
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LV8
师长
Saber软件验证了一下图解设计法发现二者结果不能完全重合,见下图                             6-1 Saber仿真和Mathcad计算结果对比 6-1(a)是满载时的增益曲线,黑点是Saber仿真的数据绿线是公式计算结果,二者在远离谐振频率时偏差变大。图6-1(b)是空载时的增益曲线(红点是Saber仿真数据)二者结果相近。 下面的是k=6的对比图                                  6-2 k=6时计算、仿真对比 上述情况一种可能是Saber软件结果不准另一种情况是Mathcad计算公式不够精确,如果是后者则实际开关频率的变化范围要比按CMG版公式计算的范围窄。
2018/01/05 09:00:36
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boy59[版主]
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LV8
师长
用拟合的方法对曲线进行补偿得到如下结果:                                                       6-3 拟合后曲线(k=3 改变谐振参数使k=6,采用同样的补偿参数得到的结果如下:                                                          6-4 拟合后曲线(k=6 拟合法也是试凑法并没有理论依据,达到上述曲线只是在励磁电感Lm前增加了补偿系数,如果能找出更精确的方程则二者的结果应当是完全重合的。
2018/01/05 16:56:11
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boy59[版主]
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LV8
师长
在网上搜到一篇TiLLC资料Design an llc resonant half-bridge power converter_slup263.pdf 参照文章中的参数进行了仿真对比:                                6-5 根据Ti资料进行的仿真对比 资料中给的图和后面给的谐振参数并不是同一个电路(谐振频率不同)这个稍微有点遗憾,不过他们的实际值同理论计算值的偏差趋势是很相似的。 如果仍用之前的补偿系数对方程进行补偿得到结果如下:                          6-6 补偿后的Ti-LLC增益曲线
2018/01/06 10:13:46
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boy59[版主]
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LV8
师长
根据TI资料中增益图(图6-5左)反算出其谐振参数为:Cr=29nFLr=48uHk=5,功率=250W,根据这个参数绘制出曲线并同原资料图对比。

                             6-7 Ti250W增益曲线对比 Mathcad软件中好像没有箭头朝下的三角标,除此之外两张图几乎一模一样说明反算的参数同Ti的原参数非常接近了。 再次加入之前的补偿参数结果如下:         6-8 TI250WLLC加补偿后的增益曲线同实际曲线对比 6-8中的三角图标是TI的实测数据,第一证明Saber的仿真是准确的,第二证明补偿参数是合理的可以使LLC的设计公式更准确(补偿只针对fs>fr2既第二谐振点右侧,对于fs<fr2既频率反走的不适用)。
2018/01/08 19:01:37
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boy59[版主]
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LV8
师长

以前的一个帖子,摘录CMG版原话: FHA是LLC的一种分析方法,并不是说只有基波传递能量。
FHA在开关频率=谐振频率下几乎没有误差,但在开关频率偏离(高于或者低于)谐振频率是就有误差了,频率偏离越大误差越大。偏离很大是FHA已经意义不大。
据我所知,我们公司的LLC设计软件不是基于FHA的方法,而是基于实际能量的查表法,所以设计结果比较准确。
其实我在很早以前的一个帖子中就说过想做一个相对准确的能量传递公式出来,但后来工作内容变动没有再做LLC了,大家可以努力一下。
其实仿真是一个较好的方法,举个例子:如果想知道实际和FHA的偏差,假如海洋之神首页谐振频率是100K,如果想知道工作频率70K时的偏差,把计算的输出电压和开环仿真的电压做个比较就可以了。用实际海洋之神首页开环测试也可以知道误差有多大。

2018/01/09 23:20:15
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boy59[版主]
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LV8
师长
在ZCS区也添加了补偿参数,计算曲线同实测值更接近了。                                                                图6-9-1 空载、100W时仿真值与计算曲线的对比                                               图6-9-2 200W、250W时仿真值和计算曲线的对比
2018/01/10 08:39:37
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hunter4051
海洋之神首页币:44 | 积分:0 主题帖:7 | 回复帖:27
LV3
排长
搬个板凳学习。。。。
2018/01/15 11:45:19
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boy59[版主]
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LV8
师长
从增益特性曲线看LLC电路的线性度不算太差特别是重载的时候,这说明LLC电路对输入扰动比较容易补偿。接下来把公式做变换来比较不同增益下的频率/功率的线性度。                                 6-9 不同增益下的频率/功率特性曲线 上图中当增益G=1,功率变化时开关频率不变等于谐振频率。 高压输入时取增益G=0.96,当功率超过100W左右后开关频率开始快速下降。 低压输入时取增益G=1.1,当功率超过200W左右后开关频率开始快速下降。 理想的线性曲线应当是从轻载到满载,频率/功率曲线为一条直线或斜线,从图中看LLC电路从轻载到满载频率/功率特性曲线不理想。
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