以MP6924A为核心的LLC拓扑学习【一】

PFC+LLC:

在PFC(功率因数校正)和LLC(谐振变换器)组成的电源系统中,各个电路有特定的作用,它们协同工作以实现高效率和高功率因数的电能转换。


1. PFC(功率因数校正)电路的作用

PFC电路一般位于AC输入端之后,其主要功能是:

作用:
  1. 提高功率因数:

    • 将输入电流的波形调整为与输入电压同相(正弦波形),降低谐波含量。
    • 确保从电网获取的功率大部分被有效利用,而非浪费在无功功率上。
  2. 整流和升压:

    • PFC电路通常采用升压(Boost)拓扑,将整流后的AC电压(通常约为100-400V DC)提升到稳定的直流母线电压。
  3. 减少电网干扰:

    • 减少对电网的谐波污染,符合如IEC 61000-3-2等国际标准的电磁兼容(EMC)要求。
典型电路:
  • 无源PFC:通过电感、电容网络提升功率因数,简单但效果有限。
  • 有源PFC:采用开关电路(如Boost变换器),可以实现接近1的功率因数。

2. LLC谐振变换器电路的作用

LLC谐振变换器位于PFC电路之后,主要用于将PFC输出的高压直流转换为负载所需的稳定直流电压。

作用:
  1. 电压转换与调节:

    • 利用谐振网络和高频变压器,将PFC输出的高压直流转换为负载所需的低压直流(如12V、24V等)。
  2. 隔离:

    • 通过变压器实现输入输出隔离,增强电路安全性和适应性。
  3. 高效率:

    • 利用谐振原理实现软开关(ZVS或ZCS),降低开关损耗,提高效率。
    • 支持高频运行,减小变压器和滤波器的体积。
  4. 输出稳定性:

    • 调整谐振网络工作点,实现输出电压的稳压功能。
典型电路组成:
  • 谐振网络: 由谐振电感、谐振电容以及变压器的漏感组成,决定谐振频率和工作模式。
  • 开关电路: 一般为半桥或全桥结构,控制高频谐振。
  • 整流与滤波: 二次侧采用整流器和滤波电容,输出平滑直流电压。

3. PFC + LLC整体架构的协同作用

工作流程:
  1. AC输入电压:

    • 输入为标准的交流电源(如220V/50Hz)。
  2. 整流桥:

    • 将AC电压整流为不稳定的直流(带有高频纹波)。
  3. PFC电路:

    • 将整流后的DC提升为稳定的高压直流(如400V DC)。
    • 调整输入电流波形,使其与输入电压同相,达到高功率因数。
  4. LLC谐振变换器:

    • 将PFC输出的高压直流转换为负载所需的低压直流(如12V DC)。
    • 提供隔离和高效率的电能转换。
优点:
  • 高功率因数: PFC电路改善了电网侧的功率因数,减少无功功率损耗。
  • 高效率: LLC实现软开关,减小开关损耗和电磁干扰(EMI)。
  • 模块化设计: PFC和LLC可以独立设计,便于调试和优化。

4. 实际应用场景

  • 服务器电源: 高效率和高功率因数的DC电源。
  • LED驱动器: 提供稳定输出并减少电网谐波污染。
  • 电池充电器: 提供隔离、安全且高效的电源。

MP6924A:

光有MP6924A组不成LLC,因为左侧的半桥没有驱动,所以需要HR1211放在作为半桥的驱动:

输出同步整流采用MPS MP6924 双路LLC同步整流控制器,可驱动两个同步整流管,支持快速关断,支持DCM、CCM和CrCM工作模式,外围元件精简。MP6924支持35V输出电压,可搭配逻辑电压和标准电压的同步整流管,支持CCM、CrCM和DCM运行模式,支持高侧和低侧同步整流,采用SOIC-8封装。

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ZVS(Zero Voltage Switching)和ZCS(Zero Current Switching)是两种软开关技术,旨在减少功率开关器件(如MOSFET或IGBT)在切换过程中的开关损耗,提高电路效率,减少电磁干扰(EMI)。


1. ZVS(零电压开关)

ZVS的原理是在开关器件的电压降到零或接近零时进行开通(Turn-On)。通过这种方式,可以避免电压和电流的重叠,从而显著降低开关损耗。

特点:
  • 开通阶段: 开通时开关器件上的电压为零,电流开始流动。
  • 实现方式: 利用谐振电路(如LLC谐振变换器),调整谐振电感和电容的参数,使得电压在开关开通前自然振荡到零。
  • 优点:
    • 降低了开通损耗。
    • 更适合高频应用(如LLC拓扑)。
  • 缺点:
    • 对关断(Turn-Off)阶段的损耗无帮助。
    • 对电路设计和控制要求较高。
应用:

ZVS常用于需要高效率的电路中,例如LLC谐振变换器、高频DC-DC变换器等。


2. ZCS(零电流开关)

ZCS的原理是在开关器件的电流降到零或接近零时进行关断(Turn-Off)。这样可以避免开关器件承受大的电流变化率(di/dt),从而减少开关损耗和器件的电应力。

特点:
  • 关断阶段: 关断时开关器件的电流为零,电压随后升高。
  • 实现方式: 通常通过谐振电感的作用使电流在开关关断前振荡到零。
  • 优点:
    • 降低了关断损耗。
    • 减少了开关器件的电应力。
  • 缺点:
    • 对开通阶段的损耗无帮助。
    • 实现ZCS的电路设计较复杂。
应用:

ZCS更适合用于需要关断大电流的电路,例如IGBT逆变器、功率因数校正(PFC)等。


3. ZVS与ZCS的对比

特性ZVSZCS
开关时刻零电压时开通零电流时关断
损耗减少阶段开通损耗减少关断损耗减少
实现难度适中较高
适用器件MOSFET为主IGBT或MOSFET均可
典型应用LLC谐振变换器、高频DC-DCIGBT逆变器、大功率开关电源

4. 综合使用

在某些高效电路设计中,可能同时采用ZVS和ZCS。例如:

  • 在LLC谐振变换器中,主要实现ZVS开通。
  • 在某些逆变器中,可以通过电路优化实现ZVS开通和ZCS关断,从而最大限度减少损耗。

总结来说,ZVS和ZCS通过分别优化开通和关断损耗,成为高效率电力电子电路设计中的关键技术。

采用HR1211实现的600W 、PFC + LLC离线电池充电器 (monolithicpower.cn)

OUTPUT_JOB (monolithicpower.cn)

OUTPUT_JOB (monolithicpower.cn)

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