本文主要參考楊波博士的論文《Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power System》，和TI，ST，Onsemi，Infineon關(guān)于LLC應(yīng)用的設(shè)計(jì)文檔。

本文分三篇講解LLC：

第一篇介紹軟開(kāi)關(guān)，和為什么選用LLC諧振拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

第二篇介紹LLC工作原理，波形和時(shí)序，基波簡(jiǎn)化分析法所需的數(shù)學(xué)知識(shí)，公式推導(dǎo)。

第三篇介紹LLC設(shè)計(jì)步驟，例舉一個(gè)實(shí)例計(jì)算。

01什么是軟開(kāi)關(guān)

普通的拓?fù)潆娐返拈_(kāi)關(guān)管是硬開(kāi)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。如下圖1所示：

圖1 硬開(kāi)關(guān)波形

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

ZVS是開(kāi)關(guān)管的電壓在導(dǎo)通前降到零，在關(guān)斷時(shí)保持為零；

ZCS是開(kāi)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。

圖2 ZVS和ZCS的波形

ZVS和ZCS都能使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗極大降低，那么對(duì)于常用的MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件，要選用ZVS還是ZCS呢？

02MOSFET為什么更用ZVS

MOSFET關(guān)斷時(shí)，其Cos會(huì)起到一個(gè)Snubber的作用。該Snubber可以將 Vds和Ids錯(cuò)開(kāi)，如圖4，增大Cos，Vds上升如綠色波形，降低了交叉損耗，因此，MOSFET的關(guān)斷損耗通常不顯著，開(kāi)通損耗更關(guān)鍵。對(duì)于MOSFET，我們通常希望在零電壓條件下開(kāi)通其溝道，即實(shí)現(xiàn)ZVS，這樣可以消去其開(kāi)通損耗。

圖3 MOSFET開(kāi)通波形

圖4 MOSFET關(guān)斷波形

03如何實(shí)現(xiàn)ZVS

如果一個(gè)正弦半波經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻，電阻電流必定也為正弦半波，電壓與電流且同相位。如果正弦半波加到一個(gè)感性網(wǎng)絡(luò)，則電流波形將滯后電壓，當(dāng)輸入電壓為0時(shí)，電流是一個(gè)負(fù)值，這個(gè)負(fù)值電流通過(guò)MOSFET的體二極管，使MOSFET的Vds電壓降低到約0.7V，如圖5，再開(kāi)通MOSFET，就可以實(shí)現(xiàn)ZVS。

圖5

實(shí)現(xiàn)ZVS需要兩個(gè)條件：

1）使PWM方波電流變成正弦波形，這需要一個(gè)諧振電路；

2）諧振網(wǎng)絡(luò)的電流滯后于電壓，這需要使諧振網(wǎng)絡(luò)始終工作在感性狀態(tài)；

要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)條件，很多諧振拓?fù)淇梢赃x擇，LLC有什么優(yōu)勢(shì)呢？

04為什么諧振拓?fù)溥x擇LLC

在諧振拓?fù)渲校?lián)諧振變換器（SRC）、并聯(lián)諧振變換器（PRC）和串并聯(lián)諧振變換器 LCC 和LLC是幾種常見(jiàn)的拓?fù)?，為什么選擇LLC？如下我們來(lái)分析這個(gè)幾種拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)。

4.1串聯(lián)諧振變換器

半橋串聯(lián)諧振變換器的電路圖如圖6，諧振電感 Lr 和諧振電容 Cr 串聯(lián)。它們形成一個(gè)串聯(lián)諧振腔。諧振腔隨后與負(fù)載串聯(lián)。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，諧振腔和負(fù)載充當(dāng)分壓器。通過(guò)改變輸入電壓 Va 的頻率，諧振腔的阻抗將發(fā)生變化。該阻抗將把輸入電壓與負(fù)載分開(kāi)。由于它是一個(gè)分壓器，SRC的直流增益總是低于 1。在諧振頻率下，串聯(lián)諧振腔的阻抗很??；負(fù)載上的所有輸入電壓都將下降。所以對(duì)于串聯(lián)諧振變換器，最大增益發(fā)生在諧振頻率。

圖6 串聯(lián)諧振變換器

SRC 的直流特性如圖7，

工作區(qū)域位于諧振頻率 fr 的右側(cè)。這是因?yàn)榱汶妷洪_(kāi)關(guān)（ZVS）需要諧振網(wǎng)絡(luò)始終工作在感性狀態(tài)。從工作區(qū)域可以看出，在輕載下（Q接近0），開(kāi)關(guān)頻率需要增加到很高，以保持輸出電壓的調(diào)節(jié)。

圖7

SRC的仿真波形如圖8，在 300V 輸入下，變換器工作在接近諧振頻率的位置。隨著輸入電壓的增加，變換器在遠(yuǎn)離諧振頻率的更高頻率下工作。隨著頻率的

增加，諧振腔的阻抗增加。這意味著越來(lái)越多的能量在諧振腔中循環(huán)，而不是轉(zhuǎn)移到輸出。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，返回到電源端的能量越多，半導(dǎo)體需要處理的能量越高，導(dǎo)通損耗越高。

圖8

SRC的缺點(diǎn)：

1）直流增益總是低于1；

2）輕載時(shí)輸出調(diào)節(jié)，開(kāi)關(guān)頻率范圍很大；

3）輸入電壓有范圍變化時(shí)，高輸入電壓條件下，諧振腔循環(huán)能量大，關(guān)斷電流大，導(dǎo)致?lián)p耗高。

4.2并聯(lián)諧振變換器

并聯(lián)諧振變換器的原理圖如圖9，諧振腔仍然是串聯(lián)的。它被稱為并聯(lián)諧振變換器，因?yàn)樵谶@種情況下，負(fù)載與諧振電容并聯(lián)。

圖9

并聯(lián)諧振變換器PRC的直流增益如圖10，與 SRC 類似，工作區(qū)也設(shè)計(jì)在諧振頻率的右側(cè)，以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）。與 SRC 相比，工作區(qū)域小得多。在輕載時(shí)，頻率不需要改變太多即能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。因此PRC 不存在輕載調(diào)節(jié)問(wèn)題。

圖10

PRC的仿真波形如圖11，與 SRC 相同，PRC 變換器在 300V 時(shí)，工作于諧振頻率附近。在高輸入電壓下，變換器工作在遠(yuǎn)離諧振頻率，從仿真波形來(lái)看，在 300V 輸入下，循環(huán)能量小于 400V 輸入情況。與 SRC 相比，PRC 的循環(huán)能量要大得多。

圖11

對(duì)于 PRC，一個(gè)大問(wèn)題仍然是循環(huán)能量非常高，即使在輕載時(shí)也是如此。對(duì)于 PRC，由于負(fù)載與諧振電容器并聯(lián)，即使在空載條件下，串聯(lián)諧振腔的輸入阻抗仍然非常小。這將導(dǎo)致相當(dāng)高的循環(huán)能量，即使負(fù)載為零。

PRC的缺點(diǎn)：

1）工作區(qū)域小；

2）循環(huán)能力大，高輸入電壓下關(guān)斷電流高。

4.3 LCC諧振變換器

LCC諧振變換器原理圖如圖12，其諧振腔由三個(gè)諧振元件組成：Lr、Cs 和 Cp。SPRC 的諧振腔可視為 SRC 和 PRC 的組合。

圖12

LCC的直流特性如圖13，

與 SRC 和 PRC 類似，工作區(qū)也設(shè)計(jì)在諧振頻率的右側(cè)，以實(shí)現(xiàn)零電壓切換。從工作區(qū)域圖可以看出，與 SRC 相比，SPRC 隨負(fù)載變化的開(kāi)關(guān)頻率范圍較窄。

圖13

LCC的仿真波形如圖14，比較開(kāi)關(guān)波形，輸入電流遠(yuǎn)小于 PRC，略大于 SRC。這意味著與PRC 相比，SPRC 的循環(huán)能量降低。與 SRC 和 PRC 相同，變換器在300V 的諧振頻率附近工作。在高輸入電壓下，變換器工作在遠(yuǎn)離諧振頻率的更高頻率。與 PRC 和 SRC 一樣，MOSFET 的循環(huán)能量和關(guān)斷電流在高輸入電壓下也會(huì)增加。

圖14

LCC的缺點(diǎn)：

1）在較寬的輸入范圍內(nèi)，在較高的輸入電壓下，導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增加。

2）需要兩個(gè)獨(dú)立電容，因?yàn)殡娙輹?huì)通過(guò)大電流，電容體積較大，且成本高。

4.4 LLC諧振變換器

通過(guò)對(duì) SRC、PRC 和 SPRC 三種變換器的分析我們可以看到，對(duì)于寬輸入范圍的設(shè)計(jì)，它們都不是特別理想。高輸入電壓下會(huì)出現(xiàn)高循環(huán)能量和高開(kāi)關(guān)損耗。它們不適用于前端 DC/DC 應(yīng)用。

從前面分析中，我們可以得出結(jié)論，對(duì)于諧振腔，在其諧振頻率工作時(shí)效率是最高的，LCC雖然有兩個(gè)諧振頻率，但是為了實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，變換器必須工作在直流特性的負(fù)斜率段。如何在ZVS區(qū)獲得諧振頻率，通過(guò)改變LCC諧振腔將其變?yōu)殡p諧振網(wǎng)絡(luò)，是可以實(shí)現(xiàn)的。

如圖 15 所示，通過(guò)將 L 更改為 C 和把 C 更改為 L，可以構(gòu)建LLC 諧振變換器。

圖15

直流增益特性轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D16，LLC 變換器的直流特性類似于 LCC 諧振變換器直流特性的翻轉(zhuǎn)。同樣也兩個(gè)共振頻率。在這種情況下，Lr 和 Cr 確定較高的諧振頻率。較低的諧振頻率由 Lm 和 Lr 的串聯(lián)電感決定?，F(xiàn)在，更高的諧振頻率在 ZVS 區(qū)域，這意味著變換器可以設(shè)計(jì)為在該頻率附近工作。

圖16

從直流增益特性看，LLC諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)是在較寬的輸入電壓范圍，和較寬的負(fù)載范圍，可以在較窄的開(kāi)關(guān)頻率范圍實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。

另外相比LCC的3個(gè)諧振元件，LLC的兩個(gè)電感可以集成在一個(gè)變壓器上，減少一個(gè)實(shí)體電感。

關(guān)于LLC的詳細(xì)工作原理，將在下一篇介紹。