01諧振半橋LLC的基本原理

與傳統(tǒng)PWM（脈寬調(diào)節(jié)）變換器不同，LLC是一種通過(guò)控制開關(guān)頻率（頻率調(diào)節(jié)）來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路。它的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)原邊兩個(gè)主MOS開關(guān)的零電壓開通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)，通過(guò)軟開關(guān)技術(shù)，可以降低電源的開關(guān)損耗，提高功率變換器的效率和功率密度。

LLC 變換器由 4 個(gè)模塊組成：電源開關(guān)、諧振腔、變壓器和二極管整流器（參見(jiàn)圖 1）。MOSFET 功率開關(guān)首先將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻方波；隨后方波進(jìn)入諧振腔，由諧振腔消除方波的諧波并輸出基頻的正弦波；正弦波再通過(guò)高頻變壓器傳輸?shù)阶儞Q器的副邊，并根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)電壓進(jìn)行升壓或降壓；最后，二極管整流器將正弦波轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出。

學(xué)習(xí)并理解LLC，我們必須首先弄清楚以下兩個(gè)基本問(wèn)題：

1. 什么是軟開關(guān)；

2. LLC電路是如何實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的。

由于普通的拓?fù)潆娐返拈_關(guān)管是硬開關(guān)的，在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)MOS管的Vds電壓和電流會(huì)產(chǎn)生交疊，電壓與電流交疊的區(qū)域即MOS管的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。

為了降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高電源的效率，有零電壓開關(guān)(ZVS) 和零電流開關(guān)（ZCS)兩種軟開關(guān)辦法。

（1）有零電壓開關(guān) (ZVS)：開關(guān)管的電壓在導(dǎo)通前降到零，在關(guān)斷時(shí)保持為零。

（2）零電流開關(guān)（ZCS)：使開關(guān)管的電流在導(dǎo)通時(shí)保持在零，在關(guān)斷前使電流降到零。

由于開關(guān)損耗與流過(guò)開關(guān)管的電流和開關(guān)管上的電壓的成績(jī)（V*I）有關(guān)，當(dāng)采用零電壓ZVS導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管上的電壓幾乎為零，所以導(dǎo)通損耗非常低。 那么LLC電路是怎么實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的呢？

從MOS管DS波形和MOS管電流波形可以看到，MOS管開通的時(shí)候，此時(shí)MOS管的電流還是在負(fù)半軸，這說(shuō)明了MOS管的電壓超前電流，所以諧振網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該呈現(xiàn)感性。

之所以LLC諧振腔要呈感性，是因?yàn)樾枰妷撼半娏鳎坏┏矢行裕瑒t諧振腔的電流在上管開通前的流通方向是負(fù)的，正是因?yàn)檫@個(gè)負(fù)電流，才能給上管放電、下管充電，使得上管MOS兩端的電壓為0，開通前為0了，那么開通時(shí)便實(shí)現(xiàn)了ZVS。如果呈容性，同理可知上管開通前，諧振腔電流方向?yàn)檎鹿芸矿w二極管來(lái)續(xù)流，上管截止，當(dāng)開通的時(shí)候，下管體二極管由于反向恢復(fù)時(shí)間的存在，有可能會(huì)使母線電壓短路，從而炸管。

對(duì)LLC來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)諧振頻率fo是利用諧振電感Lr諧振電容Cr組成；另一個(gè)一個(gè)諧振頻率fr1是利用諧振電感Lr，勵(lì)磁電感Lm，諧振電容Cr一起組成；

帶載時(shí)，LP兩端的電壓被嵌位，此時(shí)諧振頻率

空載時(shí)，LP兩端的電壓沒(méi)被嵌位，此時(shí)諧振頻率

現(xiàn)在來(lái)講講諧振網(wǎng)絡(luò)的工作過(guò)程，要想諧振網(wǎng)絡(luò)呈感性，那么開關(guān)頻率必須大于諧振頻率，這樣就有三種可能，fs=fr,fs>fr,fr2

下面是設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的一些事項(xiàng)：

①工作在純阻性區(qū)域是我們理想的工作狀態(tài)，因?yàn)樽栊跃W(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素最高，網(wǎng)絡(luò)特性最好；工作在容性區(qū)域的話電流超前于電壓，對(duì)于前級(jí)開關(guān)管而言容易實(shí)現(xiàn)ZCS 關(guān)斷，這個(gè)區(qū)域比較適合IGBT；工作在感性區(qū)域的話電壓超前于電流，對(duì)于前級(jí)開關(guān)管而言容易實(shí)現(xiàn)ZVS開通，這個(gè)區(qū)域比較適合MOSFET；對(duì)于中小功率電源而言普遍使用MOSFET，因此常規(guī)LLC拓?fù)?a target="_blank">開關(guān)電源選擇工作于感性區(qū)域。

② LLC 工作在感性區(qū)域，因此開通是 ZVS，但關(guān)斷即不是 ZVS 也不是 ZCS，是硬開關(guān)的，關(guān)斷損耗不可避免，但對(duì)于MOSFET 而言，開通損耗相對(duì)關(guān)斷損耗大很多，對(duì)于LLC 的ZVS 而言是指開通時(shí)刻的ZVS，因此可以大大降低開關(guān)損耗。

③計(jì)算LLC匝比的時(shí)候要用母線電壓的一半，在LLC 上管開通的半個(gè)周期內(nèi)母線給LLC 網(wǎng)絡(luò)輸入能量，這個(gè)能量一部分直接傳遞給輸出，另一部分儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，在下管開通的半個(gè)周期內(nèi)，依靠諧振電容和諧振電感輸出能量。所以只有上半個(gè)周期母線給網(wǎng)絡(luò)輸入了能量，即時(shí)間的利用率是一半，等效于輸入電壓的利用率為1/2。

④開關(guān)管是 ZVS 開通的，因此對(duì)于功率稍大的可以直接并聯(lián)開關(guān)管，不存在彌勒效應(yīng)或者說(shuō)將彌勒效應(yīng)降到最低。

⑤ ZVS前提就是電壓超前于電流，所以要滿足LLC整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都處于感性區(qū)域，這個(gè)最基本的一個(gè)條件，要實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，勵(lì)磁電感峰值電流im 必須在死區(qū)時(shí)間內(nèi)讓即將開通開關(guān)管的結(jié)電容放電，直至電量放完，電壓降到零。而已關(guān)斷的開關(guān)管則同時(shí)將其結(jié)電容充電到輸入電壓。

02基本半橋與全橋的拓?fù)浣榻B

03移相全橋PSFB的基本介紹

審核編輯 ：李倩