该电路一般用于输入线电压为380V的三相整流模块的DC-DC变换电路。对于此类整流模块,母线电压一般在800V左右。如果DC-DC变换电路依旧采用单个的两电平LLC电路,DC MOS管必须采用1200V耐压的MOS管。当前市面上这种MOSFET较少,且价格都很贵。另外,常规的1200V高压MOSFET,其导通电阻比600V MOSFET的Rds(on)高,不容易实现高效率的要求。选择ISOP交错并联LLC拓扑,就可以继续采用600V的MOS管,型号丰富,成本低,且模块效率高。
图1 交错并联全桥LLC拓扑主电路
如图1所示,该拓扑由2个全桥LLC电路(LLC1和LLC2)组成。其中,LLC1由
Cp/Q1~Q4/Cr1/Lr1/Tr1/D1~D4组成,LLC2由Cn/Q5~Q8/Cr2/Lr2/Tr2/D5~D8组成。LL1和LLC2在变压器原边串联,在变压器副边并联,组成ISOP结构。
图1中,Q1-Q8的驱动电压为Vgsa/Vgsb/Vgsc/Vgsd。四个驱动电压的频率相同,占空比均为0.475(PFM态时,考虑500ns死区)。在控制上,Vgsa/Vgsb为互补发波,Vgsc/Vgsd为互补发波。LLC1的PWM发波,比LL2要超前或滞后1/4个PWM周期,以达到交错控制的目的。超前1/4个周期时的发波情况如图2所示。
图2 ISOP交错并联全桥LLC拓扑的发波情况
与图2中的发波对应,流过LLC1谐振电感的电流,要比流过LLC2谐振电感的电流超前90度。通过整流后,两路LLC的副边整流二极管输出电流,相位相差了90度。实际副边整流出来的总电流波形,是两个LLC副边整流波形之和。仿真得出的整流二极管输出电流的仿真波形如图3红色波形所示。
图3 单边LLC和整个拓扑的副边整流二极管输出电流波形情况
图3中,is_llc1和is_llc2分别为LLC1的副边二极管输出电流波形,is该拓扑的副边整流二极管输出的总电流。在任何时刻,is的值等于is_llc1和is_llc2之和。从图中可见,相较于单路LLC的副边电流波形,交错并联拓扑得出的副边电流波形,其电流纹波小得多。因而,可以省掉输出差模电感,降低输出滤波器的体积,进一步提高效率。
这里以fs>fr为例,来说明交错并联拓扑的工作过程。图5是267.5V/满载输出时的DCDC拓扑仿真波形。
图5 267.5V/满载输出时的DCDC拓扑仿真波形
图5中,i_lr_llc1和i_lr_llc2分别为流过LLC1和LLC2谐振电感的电流,i_lm_llc1和i_lm_llc2分别为流过LLC1和LL2主变励磁电感的电流,is_llc1和is_llc2分别为LLC1和LLC2副边整流二极管输出的电流;is为所有副边二极管输出的总电流。下面分模态描述交错并联拓扑的工作状态。
Model 1(T0-T1):
对于LLC1,T0时刻,Q2/Q3关断,原边电流沿着Q1/Q4的反向体二极管续流。在T0-T1期间,原边谐振电流i_lr_llc1大于主变的励磁电感电流i_lm_llc1,i_lr_llc1给母线电容/励磁电感充电,同时向副边提供能量,副边的D2/D3导通。i_lr_llc1作为提供能量的源头,电流快速下降,而i_lm_llc1依旧在线性上升。
对于LLC2,T0-T1时间段内,都是Q2/Q3导通,D6/D7导通,原边向副边传递能量。
图6 T0-T1时间段内的电流流向示意图
Model 2(T1-T2):
对于LLC1,到T1时刻,i_lr_llc1下降到等于i_lm_llc1,此时副边的D2/D3过零关断。在T1-T2期间,励磁电感电流i_lm_llc1线性下降,励磁电感给副边提供能量,D1/D4导通。由于Lm不参与谐振,原边电流依旧按照谐振频率的正弦波形下降,通过Q1/Q4的体二极管给母线电容充电,并将Q1/Q4对应的Cds体电容反向充至0V,将Q2/Q3的体电容充至母线电压。
对于LLC2,T1-T2时间段内,都是Q2/Q3导通,D6/D7导通,原边向副边传递能量。
图7 T1-T2时间段内的电流流向示意图
Model 3(T2-T3):
对于LLC1,到T3时刻,Q1/Q4开通。由于此时谐振电流依旧为负,Q1/Q4的体二极管在续流,Q1/Q4实现零电压开通(ZVS)。在T2-T3期间,励磁电感Lm一直在向副边传递能量,不参与谐振。原边电流依旧按照谐振频率的正弦波形变化。
对于LLC2,T2-T3时间段内,都是Q2/Q3导通,D6/D7导通,原边向副边传递能量。
图8 T2-T3时间段内的电流流向示意图
Model 4(T3-T4):
LLC1的工作状态,类似于Model 1的LLC2的工作模态,但开关管状态与之对称,如下图所示;
LLC2的工作模态,和Model 1的LLC1的工作模态相同;
图9 T3-T4时间段内的电流流向示意图
Model 5(T4-T5):
LLC1的工作状态,类似于Model 1的LLC2的工作模态,但开关管状态与之对称,如下图所示;
LLC2的工作模态,和Model 1的LLC1的工作模态相同;
图10 T4-T5时间段内的电流流向示意图
LLC1的工作状态,类似于Model 1的LLC2的工作模态,但开关管状态和电流流向与之对称,如下图所示;
LLC2的工作模态,和Model 1的LLC1的工作模态相同;
图11 T5-T6时间段内的电流流向示意图
至于T6-T7/T7-T8/T8-T9的工作模态,分别与Model1/Model2/Model3类似,但全部开关管状态和电流流向与之对称;T9-T10/T10-T11/T11-T12的工作模态,分别与Model4/Model5/Model6类似,但全部开关管状态和电流流向与之对称。这里不再详细分析。
从上述波形和分析可知,LLC1和LLC2确实是各自独立工作,互不影响。
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