如何用LLC電路實現軟開關

與傳統PWM（脈寬調節）變換器不同，LLC是一種通過控制開關頻率（頻率調節）來實現輸出電壓恒定的諧振電路。它的優點是：實現原邊兩個主MOS開關的零電壓開通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關斷(ZCS)，通過軟開關技術，可以降低電源的開關損耗，提高功率變換器的效率和功率密度。

學習并理解LLC，我們必須首先弄清楚以下兩個基本問題：

1.什么是軟開關；

2.LLC電路是如何實現軟開關的。

由于普通的拓撲電路的開關管是硬開關的，在導通和關斷時MOS管的Vds電壓和電流會產生交疊，電壓與電流交疊的區域即MOS管的導通損耗和關斷損耗。如圖所示：

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

1 

零電壓開關 (ZVS)

開關管的電壓在導通前降到零，在關斷時保持為零。

2

零電流開關（ZCS)

使開關管的電流在導通時保持在零，在關斷前使電流降到零。

由于開關損耗與流過開關管的電流和開關管上的電壓的成績（V*I）有關，當采用零電壓ZVS導通時，開關管上的電壓幾乎為零，所以導通損耗非常低。

?Vin為直流母線電壓，S1，S2為主開關MOS管（其中Sc1和Sc2分別為MOS管S1和S2的結電容，并聯在Vds上的二極管分別為MOS管S1和S2的體二極管），一起受控產生方波電壓；

?諧振電容Cr 、諧振電桿Lr 、 勵磁電桿Lm一起構成諧振網絡；

?np，ns為理想變壓器原副邊線圈；

?二極管D1, 二極管D2，輸出電容Co一起構成輸出整流濾波網絡。

那么LLC電路是怎么實現軟開關的呢？

要實現零電壓開關，開關管的電流必須滯后于電壓，使諧振槽路工作在感性狀態。

LLC 開關管在導通前，電流先從開關MOS管的體二極管（S到D）內流過，開關MOS管D-S之間電壓被箝位在接近0V（二極管壓降），此時讓開關MOS管導通，可以實現零電壓導通；在關斷前，由于D-S 間的電容電壓為0V而且不能突變，因此也近似于零電壓關斷（實際也為硬關斷）。

那什么是諧振呢？

我們不妨先看看電感和電容的基本特性：

與電阻不同，電感和電容都不是純阻性線性器件，電感的感抗XL和電容的容抗Xc都與頻率有關，當加在電感和電容上的頻率發生變化時，它們的感抗XL和容抗Xc會發生變化。

1、如下圖RL電路，當輸入源Vin的頻率增加時，電感的感抗增大，輸出電壓減小，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而減小。

2、如下圖RC電路，相反，當輸入源Vin的頻率增加時，電容的容抗減小，輸出電壓增大，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加。

下面我們分析一下LLC諧振電路的特性

如圖，當我們將L和C都引入電路中發現，當輸入電壓源的頻率從0開始向某一頻率增加時，LC電路呈容性（容抗＞感抗），增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加，當從這一頻率再向右邊增加時，LC電路呈感性（感抗＞容抗），增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而降低。這一頻率即為諧振頻率（此時感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC）,諧振時電路呈純電阻性，增益最大。

諧振條件：感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC

諧振頻率：fo

那么諧振有什么作用呢？

控制讓諧振電路發生諧振，有三個參數可以調節。由于L和C的大小不方便調節，通過調節輸入電壓源的頻率，可以使L、C的相位相同，整個電路呈現為純電阻性，諧振時，電路的總阻抗達到或近似達到極值。利用諧振的特征控制電路工作在合適的工作點上，同時又要避免工作在不合適的點上而產生危害。

LLC穩定輸出電壓原理

將LLC電路等效分析，得到i如下簡化電路。當交流等效負載Rac變化時，系統通過調整工作頻率，改變Zr 和Zo的分壓比，使得輸出電壓穩定，LLC就是這樣穩定輸出電壓的。

對LLC來說，有兩個諧振頻率，一個諧振頻率fo是利用諧振電感Lr諧振電容Cr組成；

另一個一個諧振頻率fr1是利用諧振電感Lr，勵磁電感Lm，諧振電容Cr一起組成；

▼再來看一份更為詳細的LLC工作模態分析：

開關網絡：S1、S2及其內部寄生二極管Ds1Ds2、寄生電容Cds1Cds2;

諧振網絡：諧振電容Cr 、串聯諧振電感Lr 、并聯諧振電感 Lm;

中心抽頭變壓器（匝比為n1），副邊整流二極管 D1、D2；

輸出濾波電容Co （忽略電容的ESR），負載 Ro。

1.1 LLC變換器的模態分析

對于LLC電路，存在兩個諧振頻率：

1.1.1 工作區域2(fr2

1.1.2 工作區域2(fr2

1.1.3 工作區域2(fr2

1.1.4 工作區域2(fr2

1.1.5 工作區域2(fr2

1.2 f=fr1 情況下的波形圖

1.3 f>fr1情況下的模態分析

1.3.1工作區域1（f>fr1） 模態1

1.3.2工作區域1（f>fr1） 模態2

1.3.3工作區域1（f>fr1） 模態3

1.3.4 工作區域1（f>fr1） 模態4

總結：

開關頻率fr2

開關頻率f=fr1時， LLC諧振變換器工作在完全諧振狀態，原邊開關管可以實現ZVS，整流二極管工作在臨界電流模式，此時可以實現整流二極管的ZCS，消除了因二極管反向恢復所產生的損耗；

開關頻率f>fr1時， LLC諧振變換器原邊開關管在任何負載下都可以實現ZVS，但是變壓器勵磁電感由于始終被輸出電壓所鉗位，因此，只有 Lr、Cr 發生串聯諧振，而 Lm在整個開關過程中都不參與串聯諧振，且此時輸出整流二極管工作在電流連續模式，整流二極管不能實現ZCS，會產生反向恢復損耗。

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