LLC谐振回路电流 (tank current) 分析与测量

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1、LLC谐振回路电流(tankcurrent)分析与测量这篇应用报告为您介绍对LLC谐振回路电流的分析。文章讨论和比较了功率电阻、电流变换器和电流探针三种电流测量方法，并介绍了这些电流测量方法的优点、缺点和应用情况。实验结果与理论分析相一致。摘要在许多应用中，都要求前端转换器具备宽输入电压范围和高效率。由于在宽输入电压范围时效率较低，因此大多数PWMDC-DC转换器都不能满足这些要求。因其电压增益特性和小开关损耗特点，人们提出使用LLC来实现高效率和宽输入电压范围要求【1】。这篇应用报告为您介绍对LLC谐

2、振回路电流的分析。文章讨论和比较了功率电阻、电流变换器和电流探针三种电流测量方法，并介绍了这些电流测量方法的优点、缺点和应用情况。实验结果与理论分析相一致。1引言LLC是前端DC-DC转换器的最佳备选项，它可以满足宽输入电压范围和高效率要求。UCC25600专为使用谐振拓扑结构的DC/DC应用而设计，特别是LLC半桥谐振转换器。这种高度集成的控制器只有8支引脚，并使用小尺寸封装，它可以极大简化系统设计和布局，同时还可以缩短产品上市时间【2】。因此，我们把LLC半桥谐振转换器作为一个例子，来分析谐振回路电

3、流。2谐振回路电流分析图1为一个LLC谐振半桥转换器电路。♦S1和S2为一次MOSFET。♦CS1和CS2为MOSFET漏极和源极之间的寄生电容器。♦DS1和DS2为MOSFET的体二极管。♦Lr和Cr为谐振电感器和谐振电容器。♦Lm为变压器的磁电感器。♦n为一次和二次线圈的匝数比♦二次整流器包含D1和D2。♦CO为输出电容器。♦RL为负载。♦Vin为输入电压，而VO则为输出电压。 图1LLC谐振半桥转换器LLC谐振转换器共有2个谐振频率：一个由Lr和Cr产生，如方程式1所示;另一个由Lr、Lm和Cr产

4、生，如方程式2所示。一般而言，按照设计，正常输入电压时LLC工作在fr频率下，从而实现最佳效率。开关频率大于fr。一次MOSFET的ZVS可以实现，但是二次二极管的ZCS无法实现;它被称作LC串联谐振。当开关频率低于fr但高于fm时，可以同时实现ZVS和ZCS。由于某个时间内会出现Lr、Lm和Cr谐振，因此它被称作LLC串联谐振。在参考文献【3】中，大部分负载范围的开关频率均低于fr，因此本应用报告会对频率低于fr的工作情况进行分析。  在t2下，高侧MOSFETS1被关闭，但低侧MOSFET仍处于关闭

5、状态，因此t2为死区时间之初。在此周期，谐振回路电流无法流经MOSFET;它对CS1充电，然后对CS2放电。CS1和CS2参与谐振。CS1和CS2相等，并且都很小，因此该周期非常短。ZVS迅速达到。在现实系统中，Cr>>CS1，因此在该周期内，VCr几乎不变;可以把它看作是一个DC电压源。图3显示了一个简化版电路。  所有参数如方程式3和4所示，谐振频率等于方程式5。由于Ceq，fr3远远大于fr1和fr2。3谐振回路电流测量方法要求电流波形时，可使用三种方法来测量电流。•小容限功率电阻•电流变换器(C

6、T)•直接通过电流探针来测量谐振回路电流第一种方法是小容限功率电阻，其与谐振回路中的其它组件串联。这种电阻必须拥有高分辨率和良好的温度性能。正常情况下，谐振回路通过一个端子连接接地，这样可以减少测量的共模噪声。另外，它还是一种测量谐振回路电流的简单方法。但是，它会增加功耗，特别是在强电流条件下。另一方面，它改变了谐振参数，并使其偏离初始设计。同时，由于要求高性能，因此它的成本价格也很高。 图4电流变换器等效模型第二种方法是电流变换器(CT)，其一次侧与谐振回路串联。相比功率电阻(第一种方法)，这种方法的

7、电阻较低，并且其功耗也低于功率电阻方法。另外，相比谐振回路的Lr和Lm，CT的磁电感小到可以忽略不计。但是，由于许多寄生参数原因，CT并非是一种最佳解决方案。图4显示了CT的等效模型。由于二次漏电感远大于一次漏电感，因此漏电感设置在二次侧。图4中：•Cps为一次线圈和二次线圈之间的寄生电容。•Cp为一次侧的寄生电容。•Cs为二次侧的寄生电容。•Lm为CT的磁电感。•R为采样电阻。当使用硬开关开启或者关闭MOSFET时，电路状态立刻剧烈变化。这时，产生大量的开关噪声。这种噪声通过Cps耦合到CT的二次侧。

8、另外，噪声还流经Cp和Cs。Lm和Lleak也受到影响。如果使用通用电压探针来测量R的电压，则通常会出现一个高电压峰值;但是，如果使用差分电压探针，则Cps耦合的共模噪声被消除，并且仅剩下差模噪声。电压峰值得到了有效降低。然而，差模电压探针测量的波形仍非真正的电流波形。第三种方法是直接使用电流探针测量谐振回路电流。正常情况下，电流探针拥有较高的带宽，足以进行电源系统检测。例如，Tektronix设计的TCP202便是一种DC耦合电流探针，其