与传统 PWM(脉宽调节)变换器不同,LLC 是一种通过控制开关频率(频率调节)来实现输出电压恒定的谐振电路。它的优点是:实现原边两个主 MOS 开关的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS),通过软开关技术,可以降低电源的开关损耗,提高功率变换器的效率和功率密度。

 

 

学习并理解 LLC,我们必须首先弄清楚以下两个基本问题:


1. 什么是软开关;


2.LLC 电路是如何实现软开关的。


由于普通的拓扑电路的开关管是硬开关的,在导通和关断时 MOS 管的 Vds 电压和电流会产生交叠,电压与电流交叠的区域即 MOS 管的导通损耗和关断损耗。如图所示:

 

 

为了降低开关管的开关损耗,提高电源的效率,有零电压开关(ZVS) 和零电流开关(ZCS)两种软开关办法。 

 

1
零电压开关 (ZVS)

开关管的电压在导通前降到零,在关断时保持为零。

 

2
零电流开关(ZCS)

使开关管的电流在导通时保持在零,在关断前使电流降到零。

 

 

由于开关损耗与流过开关管的电流和开关管上的电压的成绩(V*I)有关,当采用零电压 ZVS 导通时,开关管上的电压几乎为零,所以导通损耗非常低。

 

 

►Vin 为直流母线电压,S1,S2 为主开关 MOS 管(其中 Sc1 和 Sc2 分别为 MOS 管 S1 和 S2 的结电容,并联在 Vds 上的二极管分别为 MOS 管 S1 和 S2 的体二极管),一起受控产生方波电压;

 

►谐振电容 Cr 、谐振电杆 Lr 、 励磁电杆 Lm 一起构成谐振网络;

 

►np,ns 为理想变压器原副边线圈;

 

►二极管 D1, 二极管 D2,输出电容 Co 一起构成输出整流滤波网络。

 

那么 LLC 电路是怎么实现软开关的呢?

要实现零电压开关,开关管的电流必须滞后于电压,使谐振槽路工作在感性状态。

 

LLC 开关管在导通前,电流先从开关 MOS 管的体二极管(S 到 D)内流过,开关 MOS 管 D-S 之间电压被箝位在接近 0V(二极管压降),此时让开关 MOS 管导通,可以实现零电压导通;在关断前,由于 D-S 间的电容电压为 0V 而且不能突变,因此也近似于零电压关断(实际也为硬关断)。

 


那什么是谐振呢?

我们不妨先看看电感和电容的基本特性:


与电阻不同,电感和电容都不是纯阻性线性器件,电感的感抗 XL 和电容的容抗 Xc 都与频率有关,当加在电感和电容上的频率发生变化时,它们的感抗 XL 和容抗 Xc 会发生变化。

 

1、如下图 RL 电路,当输入源 Vin 的频率增加时,电感的感抗增大,输出电压减小,增益 Gain=Vo/Vin 随频率增加而减小。

 

 

2、如下图 RC 电路,相反,当输入源 Vin 的频率增加时,电容的容抗减小,输出电压增大,增益 Gain=Vo/Vin 随频率增加而增加。

 

 

下面我们分析一下 LC 谐振电路的特性:

 

如图,当我们将 L 和 C 都引入电路中发现,当输入电压源的频率从 0 开始向某一频率增加时,LC 电路呈容性(容抗>感抗),增益 Gain=Vo/Vin 随频率增加而增加,当从这一频率再向右边增加时,LC 电路呈感性(感抗>容抗),增益 Gain=Vo/Vin 随频率增加而降低。这一频率即为谐振频率(此时感抗=容抗,XL=Xc=ωL=1/ωC),谐振时电路呈纯电阻性,增益最大。

 

谐振条件:感抗=容抗,XL=Xc=ωL=1/ωC

 

谐振频率:fo

 

 

那么谐振有什么作用呢?

控制让谐振电路发生谐振,有三个参数可以调节。由于 L 和 C 的大小不方便调节,通过调节输入电压源的频率,可以使 L、C 的相位相同,整个电路呈现为纯电阻性,谐振时,电路的总阻抗达到或近似达到极值。利用谐振的特征控制电路工作在合适的工作点上,同时又要避免工作在不合适的点上而产生危害。

 

LLC 稳定输出电压原理:

将 LLC 电路等效分析,得到 i 如下简化电路。当交流等效负载 Rac 变化时,系统通过调整工作频率,改变 Zr 和 Zo 的分压比,使得输出电压稳定,LLC 就是这样稳定输出电压的。

 

 

对 LLC 来说,有两个谐振频率,一个谐振频率 fo 是利用谐振电感 Lr 谐振电容 Cr 组成;


另一个一个谐振频率 fr1 是利用谐振电感 Lr,励磁电感 Lm,谐振电容 Cr 一起组成;

 

 

▼再来看一份更为详细的 LLC 工作模态分析:

 

 

开关网络:S1、S2 及其内部寄生二极管 Ds1\Ds2、寄生电容 Cds1\Cds2;


谐振网络:谐振电容 Cr 、串联谐振电感 Lr 、并联谐振电感 Lm;


中心抽头变压器(匝比为 n:1:1),副边整流二极管 D1、D2;


输出滤波电容 Co (忽略电容的 ESR),负载 Ro。

 

1.1 LLC 变换器的模态分析

 


对于 LLC 电路,存在两个谐振频率:

 

 

1.1.1 工作区域 2(fr2<f<fr1) 模态 1

 

 


1.1.2 工作区域 2(fr2<f<fr1) 模态 2

 

 

 

1.1.3 工作区域 2(fr2<f<fr1) 模态 3

 

 


1.1.4 工作区域 2(fr2<f<fr1) 模态 4

 

 

1.1.5 工作区域 2(fr2<f<fr1) 模态 5

 


1.2 f=fr1 情况下的波形图

 

 

1.3 f>fr1 情况下的模态分析

1.3.1 工作区域 1(f>fr1) 模态 1

 

 


1.3.2 工作区域 1(f>fr1) 模态 2

 

 

1.3.3 工作区域 1(f>fr1) 模态 3

 

 

1.3.4 工作区域 1(f>fr1) 模态 4

 

 

总结:开关频率 fr2<f<fr1 时,且谐振网络工作在感性区域时,LLC 变换器原边开关管实现 ZVS,且流过输出整流二极管的电流工作在断续模式,整流二极管实现 ZCS,消除了因二极管反向恢复所产生的损耗;

 

开关频率 f=fr1 时, LLC 谐振变换器工作在完全谐振状态,原边开关管可以实现 ZVS,整流二极管工作在临界电流模式,此时可以实现整流二极管的 ZCS,消除了因二极管反向恢复所产生的损耗;

 

开关频率 f>fr1 时, LLC 谐振变换器原边开关管在任何负载下都可以实现 ZVS,但是变压器励磁电感由于始终被输出电压所钳位,因此,只有 Lr、Cr 发生串联谐振,而 Lm 在整个开关过程中都不参与串联谐振,且此时输出整流二极管工作在电流连续模式,整流二极管不能实现 ZCS,会产生反向恢复损耗。