第一次看到AHB拓扑的时候,咋一看原边和LLC一模一样,没太明白为啥需要搞出一个AHB。到网上也没有找到拓扑的详细解读,总是得到一个AHB有啥好处的介绍。后面静下心来一步步分析一下拓扑的大概工作过程,发现从能量传递方式去理解拓扑的意义,这样会比较容易明白,有利于对主控逻辑进行深入理解,对后面参数的设计会有帮助。
目录大纲
- 拓扑解读
- 能量传递分析
- 拓扑中物理量传递函数表达式
/***拓扑解读***/
AHB拓扑
路径传递:能量传递同时依赖励磁电感(Lm) 和谐振电容(Cr)。原边开关管导通时,输入能量存储于励磁电感;关断时,励磁电感能量和谐振电容的谐振能量通过变压器耦合传递至次级侧。谐振腔只是为了实现ZVS和ZCS,从而达到减小损耗的目的。
LLC拓扑
能量传递完全依赖谐振腔(Lr+Lm+Cr) 的串联谐振。开关频率接近谐振频率时,谐振电流通过变压器传递能量,励磁电感仅提供磁化电流,不直接参与能量传递。
典型拓扑图
网上看到的拓扑图有2种,一种是上管串联谐振腔(上管为主管),另外一种是下管串联谐振腔(下管为主管)。这2种在原理角度上看并没有什么差别。当时看到的都是第一种,所以就老是把它理解成LLC的能量传递方式。其中拓扑中的谐振电感Lr 其实等效与变压器的漏感Llk, 相比于反激用能量消耗的方式,利用漏感和电容谐振实现ZVS,ZCS并进行能量传递的方式AHB结构具有更高的效率。
高边负责输出,低边负责ZVS与ZCS

低边负责输出,高边负责ZVS与ZCS

为了便于理解我以低边拓扑图来大概描述一下工作过程,并且以上管的开启关闭状态来看拓扑图这样或许可以更好的理解
上管关闭时状态
这个情况对应下管的2种情况,一种开,一种关。拓扑图变成下面的形式

如果把Cr短路,上面这个图就和反激拓扑一模一样,下管通过开启储能,关闭释能的方式向副边传递一模一样。只是除了励磁电感的能量,还传递了谐振电容储存的能量。所以AHB原边能量的收集就由来励磁电感和谐振电容来完成,这也是为什么AHB要求的变压器尺寸较反激的要小的原因。
目前AHB主控芯片其实就是通过调节下管的开关频率和占空比来实现对副边的能量传递。那么用反激的控制方式来理解AHB就会容易一些,毕竟反激是入门拓扑。
注意:能量传递公式不能直接用反激拓扑,上面说的只是从方便理解的角度。因为励磁能量是AHB的主要能量转换来源
上管开启时状态
为了避免上下管互通,形成短路。上管开启时,下管一定是关闭的。电路图等效下面这种情况,原边就形成了一个LC谐振电路,上管通过谐振时的电流电压的特点来实现原边的ZVS和副边的ZCS。工作原理和LLC类似,这个状态并除了部分能量传递,还要一个最主要的目的是利用谐振腔来实现ZVS和ZCS达到降低硬开关的损耗

其实上面拓扑的理解并不严谨,完整和详细,对于复杂的问题我一般习惯先拆解情况,然后抓主要问题,次要问题和细节后续在逐步加深认知。所以对于功率电源拓扑我都是先把能量传递作为主要问题来分析电路,至于开关损耗啥的,我都是在后面慢慢完成认知的。后面我会通过电路工作时序来深入理解
/***各阶段能量传输分析***/

S1代表上管(辅助管)S2代表下管(主管)死区时间内本质上是利用LC谐振时,电流与电压相位差90°交替变化的特点,实现ZVS开通。所以后面谐振电容的选择需要保证其能量能够在死区时间内将Vcr拉到0

1. 阶段一、(T1–T2):原边储能阶段
开关状态:下管导通,上管关断,副边整流管关断。
能量传输:
- 副边无能量输入:DR处于截止状态,负载由输出电容(Cₒ)供电。
- 原边励磁电感储能:输入电压(Vᵢₙ)对励磁电感(Lₘ)和漏感(Lᵣ)充电,电流线性上升,能量存储于磁场中。
- 谐振电容Cr充电:电容两端电压(Vcr)不断上升,直到Vin。
等效电路图:

谐振电容在物理上与电感连接为串联,但开关导通时被输入电压源强约束电位(一端接Vin,另外一端接地),表现出等效并联特性。这也是为什么AHB有两个能量来源的原因
2. 阶段二、(T2–T3):死区时间谐振阶段
开关状态:上下管均关断,副边关断。
能量传输:
- 副边仍无能量输入:谐振过程仅发生在原边(Lᵣ+Lₘ与MOSFET结电容谐振),副边未形成能量通路
- 原边下管关断瞬间:励磁电感能量最大,谐振电容电压最大。
- 能量用途:谐振过程为上管创造零电压开通(ZVS)条件,但未传递至副边。
从下管开始关断到上管开启前
在这个时间内Lk, Cr,Lm和上下管结电容Vds,形成LC谐振网络。
等效电路图如下

这个时候电感续流对上下管充放电,下管结电容从0开始上升到两端电压为Vin,上管结电容从0开始上升到两端电压为0。这时桥臂Vhb点的电压上升到Vin。此时上下管结电容对地等效并联。
另外谐振电容连接电感一端的电压也持续上升。(相位滞后电流90°)这个过程可以等效为

i1与i2 电流大小相同,方向相反。谐振电流通过CdsH又返回到电源侧,没有能量损失。这个过程相当于将上管结电容的能量转移到下管的结电容上。
Vhb从0--->Vin, Vcr从Vin--->Vin+nVo
由于电感两端电压被钳位还没有达到nVo,所以副边管子没有达到开启条件所以这个过程不传递能量
下管关断T2时刻:
根据电感和电容能量公式
电感和电容能量最大,电容两端的电压Vmax=Vin+nVo
为什么电容电压不是Vin,而是Vin+nVo?
当关断间,电感原边绕组感应出一个反向的电动势Vor,及nVo,所以此时电容的电压
等效电路图

上图为上管Vds到零,下管完全关闭的状态等效电路
如图A的电压依然保持Vin, 而电感感应出的电动势Vor,将B点电位瞬间拉低,那么电容Cr两端的电压差Vab,就是Vin+Vor。我这里忽略漏感。
3. 第三阶段(T₃–T₄):主能量传输阶段
开关状态:上管导通,副边导通(ZCS开启)。
能量传输:
- 激磁能量释放:Lₘ存储的磁场能量通过变压器耦合至副边,为负载供电(iₗₘ线性下降至零后反向)。
- 谐振能量回收:漏感(Lᵣ)和谐振电容(Cᵣ)串联谐振,其能量通过副边绕组传递至负载(iₗᵣ正弦衰减)。
- 总副边电流:iᴅᵣ = (iₗₘ - iₗᵣ) × n(n为匝比),副边同时接收来自激磁电感和漏感的能量。

5. 第四阶段(T₄–T₅):死区时间2谐振阶段
开关状态:上下管关断,、副边关断。
能量传输:
- 副边能量传输停止:副边在T₄时刻因电流归零而ZCS关断,负载由Cₒ供电。
- 原边谐振:漏感和励磁电流对MOS结电容充放电,为上管(S₁)创造ZVS条件,能量未传递至副边
这个过程和第一个死区时间一样,上下管能量进行交换实现原边ZVS
/***拓扑物理量数学表达式***/
为了方便后续深入理解拓扑和设计计算,这里先列出对应的函数表达式,有时间的时候进行详细推导

