1.1谐振变换器拓扑综述

大家好

我是德州仪器的系统应用工程师

欢迎大家来参加我们的电源设计研讨会

今天我给大家带来的 topic

是谐振变换器拓扑的综述

这是我们今天的主要内容

首先我们会了解一些基本的

二元和三元谐振拓扑

包括它们的关键特性和分析方法

来建立对谐振变换器拓扑的基本概念

接这我会简要介绍

现在最流行的 DC-DC 隔离变换器 LLC

并通过一个设计实例

来理解它的分析过程

以及设计上需要做的一些考虑和权衡

然后我们在前面的基础上

进一步探讨在宽范围输入

或者输出电压的前提下

如何选择比较合适的谐振拓扑

之后我也会介绍一个谐振拓扑的改进型

来实现谐振变换器的效率

和体积的进一步优化

接下来的两部分

我们会总结一些在谐振变换器种

常见的问题和设计中可能会面临的挑战

最后我会总结以上内容

并通过一个表格

来对比前面所提到的几个主要谐振拓扑

为大家提供选择上的指导

下面正式开始我们今天的主要内容

大家可能会觉得

谐振变换器的工作频率一直在变

输入输出的关系又很复杂

可是为什么还能被广泛应用呢

我想最主要的原因

还是它能在整个负载范围内实现软开关

这就解决了电源设计过程中

可能会碰到的很多头疼的问题

包括效率 发热 噪声 电磁干扰等等

那接下来我们来看看

DC-DC 的谐振变换器的结构

通常它由下面三个部分组成

第一部分是开关管组成的开关网络

它的主要作用

是将输入的直流电压转换成方波信号

第二部分是谐振网络

也叫谐振槽或谐振腔

它的作用是通过频率调节自身阻抗

来实现对输入信号的调节

然后将调整后的电压

输出给第三部分的整流网络

再由整流网络后面的滤波器

将这个信号变成直流

一般来说

谐振网络的输入和输出

都必须是交流信号

所以在开关网络和谐振网络之间

可能会有一个隔直电容

来将开关网络中

输出信号中的直流成分去除

当然这取决于开关网络

和谐振网络的实际情况

这里我们先强调两点

为了简化分析

我们在接下来的分析中

如果没有特别声明

所有的变换器都默认采用变频控制

另外我们只讨论输入为电压源的情况

而不讨论输入为电流源的情况

下面我们来了解如何分析谐振变换器

最快速最简单的办法是采用基波分析法

也叫正弦近似法

它的基本原理

是只考虑输入和输出信号中的基波成分

而忽略各次谐波

这样我们就可以很容易地推导出

谐振网络的阻抗以及变换器的传递函数

通过对输入和输出方波信号中

做傅里叶分解

我们就可以得到下面这两张图

从图中可以看出

基波所占的比重远远大于各次谐波

所以我们可以只考虑基波分量

而忽略其它各次谐波

这就是我们分析的依据

这里我们以 LLC 串联谐振变换器为例

来理解基波分析法的分析过程

首先开关网络的两个管子

以 50% 占空比交替开关

在开关中点

就产生了一个幅值为输入电压

平均值为 1/2 输入电压的方波

由于谐振电容的隔直作用

实际进入谐振网络的波形

是一个交流方波

幅值为 1/2 输入电压

它的基波分量是一个正弦波

这里我们用 Vs 表示

根据傅立叶分析可以知道

它的幅值应该为 (4/π)×1/2输入电压

同样的在谐振网络的输出电压

也是一个交流方波

它的幅值为输出电压乘以匝比

它的基波分量的幅值

也是在输出电压乘以匝比的基础上

再乘以 4/π

而谐振网络的输出电流是一个正弦波

根据这个公式

我们可以推导出它的幅值为

2/π 乘以输出电流

再除以匝比

当我们知道了谐振网络的输出电压

和输出电流的表达式

我们就可以很容易的求出

谐振网络的等效阻抗 Re

最终我们把非常复杂的

谐振变换器变成了一个只有几个元件

这样非常简单的等效电路

非常有利于我们后面的进一步分析和计算

大家好

我是德州仪器的系统应用工程师

欢迎大家来参加我们的电源设计研讨会

今天我给大家带来的 topic

是谐振变换器拓扑的综述

这是我们今天的主要内容

首先我们会了解一些基本的

二元和三元谐振拓扑

包括它们的关键特性和分析方法

来建立对谐振变换器拓扑的基本概念

接这我会简要介绍

现在最流行的 DC-DC 隔离变换器 LLC

并通过一个设计实例

来理解它的分析过程

以及设计上需要做的一些考虑和权衡

然后我们在前面的基础上

进一步探讨在宽范围输入

或者输出电压的前提下

如何选择比较合适的谐振拓扑

之后我也会介绍一个谐振拓扑的改进型

来实现谐振变换器的效率

和体积的进一步优化

接下来的两部分

我们会总结一些在谐振变换器种

常见的问题和设计中可能会面临的挑战

最后我会总结以上内容

并通过一个表格

来对比前面所提到的几个主要谐振拓扑

为大家提供选择上的指导

下面正式开始我们今天的主要内容

大家可能会觉得

谐振变换器的工作频率一直在变

输入输出的关系又很复杂

可是为什么还能被广泛应用呢

我想最主要的原因

还是它能在整个负载范围内实现软开关

这就解决了电源设计过程中

可能会碰到的很多头疼的问题

包括效率 发热 噪声 电磁干扰等等

那接下来我们来看看

DC-DC 的谐振变换器的结构

通常它由下面三个部分组成

第一部分是开关管组成的开关网络

它的主要作用

是将输入的直流电压转换成方波信号

第二部分是谐振网络

也叫谐振槽或谐振腔

它的作用是通过频率调节自身阻抗

来实现对输入信号的调节

然后将调整后的电压

输出给第三部分的整流网络

再由整流网络后面的滤波器

将这个信号变成直流

一般来说

谐振网络的输入和输出

都必须是交流信号

所以在开关网络和谐振网络之间

可能会有一个隔直电容

来将开关网络中

输出信号中的直流成分去除

当然这取决于开关网络

和谐振网络的实际情况

这里我们先强调两点

为了简化分析

我们在接下来的分析中

如果没有特别声明

所有的变换器都默认采用变频控制

另外我们只讨论输入为电压源的情况

而不讨论输入为电流源的情况

下面我们来了解如何分析谐振变换器

最快速最简单的办法是采用基波分析法

也叫正弦近似法

它的基本原理

是只考虑输入和输出信号中的基波成分

而忽略各次谐波

这样我们就可以很容易地推导出

谐振网络的阻抗以及变换器的传递函数

通过对输入和输出方波信号中

做傅里叶分解

我们就可以得到下面这两张图

从图中可以看出

基波所占的比重远远大于各次谐波

所以我们可以只考虑基波分量

而忽略其它各次谐波

这就是我们分析的依据

这里我们以 LLC 串联谐振变换器为例

来理解基波分析法的分析过程

首先开关网络的两个管子

以 50% 占空比交替开关

在开关中点

就产生了一个幅值为输入电压

平均值为 1/2 输入电压的方波

由于谐振电容的隔直作用

实际进入谐振网络的波形

是一个交流方波

幅值为 1/2 输入电压

它的基波分量是一个正弦波

这里我们用 Vs 表示

根据傅立叶分析可以知道

它的幅值应该为 (4/π)×1/2输入电压

同样的在谐振网络的输出电压

也是一个交流方波

它的幅值为输出电压乘以匝比

它的基波分量的幅值

也是在输出电压乘以匝比的基础上

再乘以 4/π

而谐振网络的输出电流是一个正弦波

根据这个公式

我们可以推导出它的幅值为

2/π 乘以输出电流

再除以匝比

当我们知道了谐振网络的输出电压

和输出电流的表达式

我们就可以很容易的求出

谐振网络的等效阻抗 Re

最终我们把非常复杂的

谐振变换器变成了一个只有几个元件

这样非常简单的等效电路

非常有利于我们后面的进一步分析和计算