Технологии: "LLC-резонатор" зачем он нужен в блоках питания?
Как работает импульсный источник питания
В импульсном блоке питания сетевое напряжение сначала выпрямляется, затем преобразуется в переменное высокой частоты (обычно несколько десятков кГц). Затем напряжение понижается до нужного уровня с помощью трансформатора и снова выпрямляется.
В DC-AC преобразователях в качестве ключей применяются полевые транзисторы с изолированным затвором, они же MOSFET, которые формируют прямоугольные высокочастотные импульсы, питающие силовой трансформатор.
Но трансформаторы, как и любые индуктивности, прямоугольники не очень любят. Если из прямоугольной формы сделать синусоидальную, то потери на трансформаторе понизятся. Для этого и нужен LLC-контур.
Что такое LLC-резонатор
LLC-резонатор — резонансный контур, состоящий из двух индуктивностей и одной емкости. Расположен прямо перед силовым трансформатором.
Основой резонатора является пара конденсатор-индуктивность (LR, CR). Еще одна катушка — индуктивность намагничивания силового трансформатора (LM) — добавлена в контур, позволяя регулировать напряжение при слабой нагрузке.
К слову о регулировке: в БП с LLC-резонатором применяется не ШИМ, а частотно-импульсная модуляция (ЧИМ). Коэффициент заполнения импульсов постоянна и всегда равна 50%. Меняя частоту входного напряжения, приближая и отдаляя ее от резонансной для контура, можно управлять выходным напряжением и таким образом его стабилизировать. Диапазон такой регулировки мал, но для стабилизации более чем достаточен.
Именно LLC-резонатор обеспечивает синусоидальную форму тока на трансформаторе вместо прямоугольной. Режим работы схемы становится более мягким, убираются паразитные гармоники, снижаются тепловые потери.
А еще благодаря действию самоиндукции в контуре резонатора ток сток-исток на полевых транзисторах отстает от напряжения, что обеспечивает ZVS-коммутацию, т.е. переключение при нулевом напряжении — MOSFET меньше греются.
Внешне БП с LLC-резонатором можно отличить по конденсатору и катушке, которые устанавливаются до трансформатора.
Расчет и настройка LLC-резонатора — задача нетривиальная. Поэтому до недавних пор резонансные блоки питания стоили намного дороже обычных. Но на сегодняшний день технология отработана и перестала быть диковинкой.
Что есть еще?
LLC — не единственная резонансная топология блоков питания. Есть еще LCC-топология, в которой индуктивность намагничивания LM заменена шунтирующим конденсатором CS.
Такая схема также позволяет реализовать режим ZVS-коммутации на ключах и снизить до минимума потери при их переключении. Но в целом схема оказалась более сложной в реализации, чем LLC-топология. В частности, в этой схеме необходимо ограничивать ток контура при сильном снижении нагрузки — например, при переходе в спящий режим. Если не вводить обратную связь по выходному напряжению, при его падении частота коммутации ключей станет близка к собственной резонансной частоте ненагруженного контура. Это приведет к возрастанию токов в контуре и росту потерь.
Вывод
LLC-топология позволила повысить КПД импульсных боков питания до 98% за счет снижения потерь при переходных процессах на силовых ключах и тепловых потерь на трансформаторе. Технология не новая, методики расчета компонентов отработаны. В большом ассортименте выпускаются элементы, предназначенные для ее реализации. Это позволило снизить цену на резонансные БП. Большинство современных энергоэффективных блоков питания построены на LLC-топологии и цену при этом имеют вполне приемлемую.
P/S "Предугадывая комментарии и замечания":
«благодаря действию самоиндукции в контуре резонатора ток сток-исток на полевых транзисторах отстает от напряжения, что обеспечивает ZVS-коммутацию»
Нет, ток отстаёт от напряжения в резонансном контуре потому, что контроллер LLC, с помощью ООС, отслеживает уровень напряжения на нагрузке и удерживает частоту осцилляции всегда чуть выше, чем собственная текущая резонансная частота контура, которая меняется от уровня приложенной нагрузки.
А режим ZVS у ключей обеспечивается автоматической подстройкой колебаний контура к коммутации ключей, просто маятник пытается снизить сопротивление своим колебаниям. Синусоида или правильней сказать круг – самая менее затратная фигура на накладные расходы.Только при проектировании LLC нужно удерживать частоту осцилляции как можно ближе к резонансной частоте контура, тогда при коммутации ключей и режим ZVS будет сохранятся и ток через ключи будет меньше, меньше будет отставать от напряжения, и работа ключей будет приближаться к режиму ZCS.
«обеспечивает ZVS-коммутацию, т.е. переключение при нулевом напряжении — MOSFET меньше греются»
Это следствие, а причина – отсутствие коммутационных потерь при переключениях, из-за исключения действия плато Миллера, то есть исключение пребывания ключа в линейном режиме. Так же, исключение действия плато Миллера положительно сказывается и на драйвер, уменьшая на нём потери.
Рисунок осциллограммы «В – ZVS-коммутация» переключения MOSFET-транзистора у LLC какой-то кривой, ибо на момент открытия ключа, к каналу ключа приложено обратное напряжение, уровня прямого падения напряжения на паразитном обратном диоде ключа, из-за протекания через него прямого тока, тока от колебаний с контура. То есть в общей точке соединения истока верхнего и стока нижнего ключей напряжение на 1-2В будет выше уровня питающего напряжения или ниже уровня общего провода/корпуса/земли на момент включения соответствующего ключа.
«схема оказалась более сложной в реализации, чем LLC-топология»
LCC не сложней LLC, просто не подходит для работы с малой нагрузкой, ибо слишком большие коммутационные токи на ХХ. LCC хорош для сварочников, ибо вообще не боится КЗ в нагрузке, а так же там, где нагрузка всегда подключена к ИИП и всегда близка к номинальной.