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从理想变为现实-准谐振式充电机

2017-5-23 9:24:38      点击:

准谐振QR(quasi-resonant )的概念


为实现软开关电源技术低功耗技术,利用谐振的原理,在电路中加入小电感或电容元件,克服开关直流电源电路内部产生的开关噪声(或者电磁干扰EMT)使开关两端的电压或电流的变化呈正弦波的变化规律,在开关管在电压过零ZVS (ZeroVoltage Switching)或电流过零ZCS (Zero Current Switching)的时候完成开关转换,以消除电压和电流的重叠,实现消除或减小功耗的目的。谐振只在整个电源能量变换的一个阶段—开关转换的时候完成(波形仍接近为方波),通过谐振使开关管在零电压(或最小电压)或者是零电流的时刻完成开关转换,同时又保持方波开关直流电源的高能量传输模式,因此称为准谐振(quasi-resanent )QR。

充电机

一年前看到j版发的那几个工程师的“准谐振”技术样机,被深深震撼了!ZCS+ZVS,确实能实现MOS损耗最小化和最大限度提升工作频率。

由于自己正准备开发LLC架构型的充电器,所以在开发中就把能实现ZCS作为兼顾的目标之一。在初步整定LLC项目以后,按奈不住折腾开了工程师的“准谐振”,下图为折腾的母板,也是即将量产的LLC充电机

空载波形(黄、紫为栅极波形,蓝为电容端波形,绿为变压器初级电流波形,下同)

充电机空载波形图



中载波形

充电机中载波形图



重载波形

充电机重载波形图



实验结果,MOS由于处在ZCS状态,损耗确实比较小,带来的一个好处是方便把工作频率做高,用较小的变压器做出比LLC更大的功率。

但在实验中感觉“准谐振”充电机技术相比LLC也不是没有缺点,个人感觉电压利用率比LLC要低,更适合多个并联使用。

这款LLC充电电源全机仅用了一颗8位单片机,所以控制会比较粗糙,但对充电器来说,合适的脉动反而对电池有利。

正因为用了单片机,所以改变控制方式非常方便,波形上的尖峰估计是试验时外接变压器引线过长引起的干扰。

“准谐振"两个回馈二极管会引起较大损耗,所以效率会比LLC的稍低。

“准谐振"技术不失为一个很有亮点的控制方法,很佩服张工发散式思维的技求思路,再次感谢张工为我们带来这么有特色的电路。

准谐振拓扑还有一个好处是 EMI 远小于硬开关应用的,其频率将随 400V 输入电容上的纹波而变化,导致自然的频谱扩展。此外,由于开关行为在较低电压时发生,开关噪声减小,故共模 EMI噪声也相应减小。

LLC 谐振转换器的实际工作范围从 70W 左右到 500W 以上,带有一个 PFC 前端的 FSFR2100 已用于实现 200W 到 420W 的电源。对于高达 200W 的应用,一般无需使用 FSFR2100 上的散热器,但通常建议在输出端使用一些肖特基二极管,而这些往往需要散热器。此外,也可以采用同步整流方法,这时因为采用了 MOSFET (虽然 MOSFET 的控制信号不易产生),因此无需散热器。对于采用了肖特基二极管的应用,典型的峰值效率依照输入电压、输出电压和输出功率情况,大约在 90%到 95%之间。

技术在于勇敢的尝试和不算的探索,发现了新的观点,不要只停留在脑内的思考,要不断的进行试验,最后会发现不一样的结果。