llc如何实现开关管ZVS(零电压)导通

对于LLC而言最大的优势就是实现原边开关管 ZVS开通以及副边二极管ZCS关断来提高效率的,我们可以先来看如何实现开关管 ZVS开通



稳态下的分析

上图是LLC谐振腔中的大致电压与电流波形,我们可以在这个波形上来分析 MOS是如何实现ZVS开通的

注意:下面的分析只是实现 ZVS的基本逻辑分析,至于到底如何合理控制如何定性定量分析计算,后面再详述

谐振腔中的电流是交流电是有顺流和反流的,我们先定义电流的方向正负,我们定义往谐振腔内部流动的为正电流,定义从谐振腔往外流出的电流为负电流

首先我们知道LLC谐振腔是工作在感性区,那么输入电流一定滞后于输入电压,如上图 θ为电流滞后于电压的相角(上图谐振腔基波电流于基波电压的对比)
然后谐振腔中的这个正弦电流波形,被上下两个 MOS管分割开来,分别在特定时段才有电流流过,两个开关 MOS管的电流合起来就是一个完整的正弦电流,如上图所示

t0时刻前

t0时刻之前下管是导通状态, AO之间压差为0,电流的方向是从由下管从上往下流,此时为负电流

t0时刻——t1时刻前

当时间到达t0时刻,时间经过了半个开关周期,电流依然还是负电流,控制 MOS管下管Q2关闭(此时Q2关断的过程,Q2两端压差不为0,电流也不为0),Q2关断属于硬关断,不过虽然电流不为 0但是电流已经即将要到达过 0点了,所以虽然是硬关断但是关断损耗也不会特别高

此时谐振腔中的正弦电流无法通过 MOS管下管内部,正弦电流只能通过给结电容 Cds2充电以及结电容Cds1放电来流通

由于结电容Cds1与Cds2容量非常小,充放电速度超级快,那么 Cds2瞬间被充满,Cds1瞬间被放完,也就是点 A的电压瞬间变成了420V电压,但是这一瞬间过后,谐振腔中的电流依然还是负电流

那么此时MOS管Q2关断Q1也还没有打开(刻意留的死区时间,这段时间很短),,而 Cds1被放完Cds2也被充满无法再进行充电,此时依然为负的谐振电流从 Q1的体二极管Ds1中流通

只要Ds1中流通了电流,那么上管 Q1两端的压差就基本接近于0的,那么我们只需要在谐振电流由负转变成正之前(也就是在 t0-t1之间)控制Q1的驱动电压让Q1导通,那么MOS上管Q1就实现了零电压开通ZVS(Q1电流不为0,但压差基本接近于0)

在Q1导通之后谐振电流直接流过 MOS管内部

t1时刻-t2时刻之前

当时间到达t1时刻谐振电流由负电流转为正电流,正电流从 MOS管上管Q1由上而下流进谐振腔中,直到 t2时刻之前

t2时刻-t3时刻之前

当到达t2时刻的时候,时间又过去了半个开关周期,谐振电流依然还是正向电流,,此时 MOS管上管Q1关闭(此时Q1关断的过程,Q1两端压差不为0,电流也不为0),Q1关断属于硬关断,不过虽然电流不为 0但是电流已经即将要到达过 0点了,所以虽然是硬关断但是关断损耗也不会特别高

此时谐振腔中的正弦电流无法通过 MOS管内部,正弦谐振电流只能通过给结电容 Cds1充电以及结电容Cds2放电来流通

由于结电容Cds1与Cds2容量非常小,充放电速度超级快,那么 Cds1瞬间被充满,Cds2瞬间被放完,也就是点A的电压瞬间变成了0V电压,但是这一瞬间过后,谐振腔中的电流依然还是正电流

那么此时MOS管Q1关断Q2也还没有打开(刻意留的死区时间,这段时间很短),而 Cds2被放完Cds1也被充满无法再进行充电,此时依然为正的谐振电流只能从 Q2的体二极管Ds2中流通

只要Ds2中流通了电流,那么上下管 Q2两端的压差就基本接近于 0的,那么我们只需要在谐振电流由正转变成负之前(也就是在 t2-t3之间)控制Q2的驱动电压让Q2导通,那么MOS下管Q2就实现了零电压开通ZVS(Q2电流不为0,但压差基本接近于 0)

在Q2导通之后谐振电流直接流过 MOS管内部

t3时刻-t4时刻之前

当时间到达t3时刻谐振电流由正电流转为负电流,负电流从 MOS管下管Q2由上而下流出谐振腔,直到 t4时刻之前

当时就到达t4时刻,半个周期又过去了, MOS管Q2关闭,此时又跟到达 t0时刻一样往复循环工作了

那么经过这些逻辑分析之后得到一个结论,只要 LLC工作在感性状态下, MOS管上管与下管控制的合理,是可以实现 MOS管ZVS开通的

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