前一章節介紹了對稱半橋LLC以及控制方法,本章節主要介紹全橋LLC拓撲及其控制方法。其實半橋和全橋并沒有本質的區別,都是諧振電路,半橋是一個橋臂,全橋是兩個橋臂,先比于半橋,半橋具有以下優點:
- 兩個周期都從母線電容取電,減少了母線電容的峰值電流,母線電容紋波更小,壽命更長;
- 實現更大功率的輸出;
- 磁性器件工作在一三象限,利用率高,有利于磁芯器件的設計,同樣的磁芯器件能輸出更多的能量;
- 功率開關管的電流峰值更小。
LLC變頻模式下有三種工作狀態,分別為,
,
.fs是工作頻率,fr是諧振頻率,
.
三種工作模式的工作狀態分別如下,
可以看出兩個橋臂的對管Q1&Q4驅動信號一致,Q2&Q3驅動信號一致,在這種工作狀態下對PWM外設比較好進行配置。為了后面實現調頻調寬功能,選擇推挽輸出模式,當PWM 工作在推挽模式下時,會使整個周期的時間加倍,因為每個周期發生兩次定時器匹配。下面是中心對稱模式的推挽輸出,此模式組合將PWM 緩沖區更新和中斷事件限制為每4 個時基周期發生一次。PWM1H&PWM1L作為開關管Q1&Q4的驅動,PWM2H&PWM2L作為開關管Q2&Q3的驅動。(占空比D=50%)
在正常的工作條件下可以采用這種PFM的方式即可滿足需求,但是開關電源的工況比較復雜,特別是這種LLC拓撲,輸入電壓變高或者輸出電壓變低/負載變輕都會使工作頻率升高,上一篇文章提到,頻率的提高會受到一定的限制,為了滿足低壓輕載的需求,會進入到調頻調寬的狀態。半橋LLC是采用非對稱互補的方波方式能解決單調性和諧振電流的方法,那么全橋LLC該如何解決呢?
全橋LLC的四個開關管均采用對稱發波方式,我們將Q1~Q4組成兩個橋臂,Q1&Q3組成調寬臂,Q2&Q4組成調頻臂。比如全橋LLC的工作頻率范圍是100kHz~250kHz,假設Q1&Q3在180kHz以下只調頻,D=50%,當工作頻率高于180kHz調頻也調寬,Q2&Q4組成的調頻臂在全工作范圍內只調頻,占空比不變D=50%。如下圖:
具體的實現方式是在工作頻率高于180kHz時,控制算法去修改PG1的CMP值,更新占空比值。PG2還是按照原來的算法不變,進行調頻,占空比不變。
但是調寬臂采用對稱發波的方式,會同樣出現上一篇文章中出現的問題,在調寬狀態當占空比很小的時候,調寬橋臂Q1&Q3的驅動信號很長一段時間內會處于低電平,諧振電流只能流過MOSFET的體二極管。一旦諧振電流衰減到0,體二極管就進入反向恢復狀態,漏源電壓Vds上升(在占空比較小的情況下,Vds可上升到PFC母線電壓),此MOS管失去0電壓開通條件,此時造成的開關損耗會非常大。
低壓輕載調寬橋臂硬開關的解決方案
為防止以上硬開通現象的發生,可在MOS管的體二極管反向恢復之前就發出開通信號將其溝道導通,即將調寬橋臂驅動信號的上升沿往前移,移至另外一開關管驅動信號的下降沿處(忽略死區時間),這等效為移相發波,調寬橋臂為超前橋臂,調頻橋臂為滯后橋臂,下面是PFM和PS工作模式下的主要波形,當工作頻率處于最高頻率后,通過調節相角來控制輸出電壓。
在DSP實現移相方法,可以采用PG3作為參考載波,PG3的EOC觸發PG1(黑色)的SOC, TriggerA觸發PG2(綠色)的SOC,以此來產生相移,PWM1H和PWM2H的重疊部分為有效占空比。
另外,要保證斜對管驅動信號(如PWM1H與PWM2H)高電平的重疊時間最小時為0,這樣諧振腔兩端電壓的最小占空比才會為0,否則LLC在啟機時一旦放開驅動信號,輸出電壓就會階躍到一個較高的平臺,電平的大小和持續時間隨負載的減小而增加,隨斜對管驅動信號高電平的重疊時間增加而增加。
在低壓輕載工作狀態下,實際的占空比進一步減小,甚至接近于0,這就造成勵磁電流的峰值太小,在死區時間內MOS管Coss的電荷無法被抽走,MOS管出現硬開通。這種硬開通是無法通過移相發波方式解決的。
交錯并聯LLC實現方式
目前充電樁作為七大基建之一,市場需求非常活躍,充電模塊以20KW、30KW為主流,要想實現高效高功率密度,必然少不了LLC拓撲。以20KW充電模塊為例,輸入380Vac交流電壓,前級經過ViennaPFC變換器產生+400V、0V和-400V三電平電壓(本人另有寫三相Vienna拓撲分享專題),然后在后級上下接一個交錯并聯的LLC,實現200V~750V的電壓輸出,典型拓撲結構如下:
交錯并聯LLC拓撲
控制方法如下,Q5~Q8組成的全橋LLC相對于Q1~Q4組成的全橋LLC滯后90°,這樣可以實現輸出電壓紋波最小。
交錯LLC控制框圖
本文給出了(交錯并聯)全橋LLC的一般控制策略,以及在低壓輕載對兩個橋臂不同的處理方式,如果大家有更高的控制策略,也可以拿出來討論。
參考文獻
《全橋LLC諧振變換器的混合式控制策略》(點擊“資料”即可下載 )